JPWO2010016098A1 - 採光型太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

このモジュール２０は、光透過性の第１，第２基板２１，２２と、複数の円環状のクラスター３０とを備え、このクラスター３０は、複数の球状の太陽電池セル３２と、複数の太陽電池セル３２の第１電極３７が電気的に並列接続された複数の導電被膜３１と、複数の太陽電池セル３２の第２電極３８が電気的に並列接続された複数の導電部材４８と、導電被膜３１と導電部材４８を介して並列接続された複数のバイパスダイオード４０と、導電被膜３１を所定方向に隣接するクラスター３０の導電部材４８に電気的に接続する複数の導電接続部材５０とを有する。クラスター３０を円環状や雪の結晶状や１直線状パターンに構成し、複数のクラスター３０を配設することで、採光率と発電能力の比率選択性の許容幅を向上させることができ、窓材としての意匠性を高め得ることができる。

Description

本発明は採光型太陽電池モジュールに関し、特に、複数の球状太陽電池セルを含むクラスターを複数形成し、これら複数のクラスターを複数行複数列のマトリックス状など様々なパターンに配設し、且つ１対の光透過性の基板に一体的に組み込んだ採光型太陽電池モジュールに関する。
従来、採光可能な窓材に太陽電池セルを組み込んだ種々の太陽電池モジュール或いは太陽電池パネルが既に実用化されている。一般的に、ウェハ状のシリコン結晶から製造された平板状のシリコン太陽電池セルを、２枚のガラス板と重ね合わせて作るシリコン型太陽電池モジュール（或いはパネル）がある。このモジュールは、太陽電池セルを適当な間隔を空けて平面状に並べ、リボン状の導体で各セルを結線したものを、２枚のガラス板の間にＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂を用いて隙間を埋め込むようにして張り合わせたものである。
また、アモルファスと微結晶を組み合わせた薄膜型太陽電池モジュールがある。このモジュールを窓材に形成する為には、先ず、ガラス基板上に透明電極膜ＴＣＯ（ＳｎＯ２）を成膜し、セル電極部分を作るためレーザ光を用いて分離分割する。次いで、シリコン薄膜、アモルファスシリコン（ａ-Ｓｉ）、シリコン薄膜微結晶を順次積層し、レーザ光でこの発電層を一定のピッチで分離分割する。さらに、裏面全体に電極となる金属薄膜を全面に被着し、再度レーザ光で金属層を絶縁分離して小さな薄膜太陽電池セルを一度に多数個直列接続する。
これら上記の太陽電池モジュールにおいては、受光面が太陽電池セルの片面に限られたものであり、モジュール周囲の光の利用範囲が狭く発電能力が低いものである。また、シリコン型太陽電池モジュールにおいては、大きなサイズの平板型太陽電池セルにより採光率を悪化させてしまう。さらに、薄膜型太陽電池モジュールにおいては、ガラス基板に薄膜を製造することに困難が伴うものである。
そこで、本願発明者は上記の問題を鑑みて特許文献１のような球状太陽電池セルを提案した。この球状太陽電池セルは、直径が１〜２ｍｍのｐ形又はｎ形の球状半導体と、この球状半導体の表面近傍に形成された球面状のｐｎ接合と、その球状半導体の表面の両端に球の中心を挟んで対向するように設けた１対の小さな正，負電極などで構成されている。この球状太陽電池セルは、上記のシリコン型太陽電池セルや薄膜型太陽電池セルと比較して、小型なものであって容易に且つ安価に製造できるものである。
この球状太陽電池セルは、表面が球面であるため、直射光のほか、反射光、散乱光が多い環境においてその効果を十分に発揮する。例えば、透明なパッケージ内に収めた場合には、その内部の反射光及び散乱光も発電に寄与でき、窓を兼ねた太陽電池モジュールをビルなどの建物に垂直に設置した場合、地面や周囲の建物などの反射光も吸収して発電することができる。太陽の直射光は、時間と共に入射角が変化するが受光面が球面状であるため、平面型と比較すると入射方向に依存せずに比較的安定した発電も期待できる。
また、本願発明者は、特許文献２や特許文献３に示すように、上記の球状太陽電池セルを複数行複数列配置のマトリックス状に配設し、フレキシブルな細い導線やプリント配線によって並列接続および直列接続し、１対の透明ケース板間に透明樹脂でモールドしたシースルー型の太陽電池モジュールを提案している。
国際公開ＷＯ９８／１５９８３号公報 国際公開ＷＯ０３／３６７３１号公報 国際公開ＷＯ２００７／８０６３１号公報
しかし、上記特許文献１〜３の複数の球状太陽電池セルは、略直線状に且つ密接状態に配設されているため、意匠性の向上を図る上では問題がある。例えば、上記の球状太陽電池モジュールが組み込まれた窓材の場合では、太陽電池セルが密接状態に配設されているので、窓材としての採光率と太陽電池モジュールとしての発電能力を適宜設定する設計の自由度が狭くなり、太陽電池セルにより視界が遮られてしまい意匠性を高めることができない、などの問題がある。
本発明は、窓材としての意匠性を向上させ得る採光型太陽電池モジュールを提供すること、窓材としての採光率を高め得る採光型太陽電池モジュールを提供すること、などである。
本発明に係る採光型太陽電池モジュールは、複数の球状の太陽電池セルにより発電する採光型太陽電池モジュールにおいて、光透過性の第１基板と、導電方向を第１基板と直交方向に揃え且つ複数クラスターにグループ化された複数の球状の太陽電池セルと、前記第１基板の内面に複数クラスターに対応させて形成され、各クラスターの複数の太陽電池セルの第１電極が電気的に並列接続された複数の導電被膜と、前記複数クラスターの各々における複数の太陽電池セルの第２電極が電気的に並列接続された複数の導電部材と、前記複数クラスターの各々における導電被膜を、所定方向に隣接するクラスターの導電部材に電気的に接続する複数の導電接続部材と、前記第１基板に対して複数の太陽電池セルを挟んで平行に配置された光透過性の第２基板と、前記第１，第２基板との間に充填されて複数の太陽電池セルと複数の導電部材と複数の導電接続部材を埋め込んだ状態にモールドする光透過性の合成樹脂モールド材と、を備えたことを特徴としている。
本発明の採光型太陽電池モジュールによれば、複数クラスターの各々が、複数の球状の太陽電池セルを有するので、各クラスターがセルの配設パターンを自由に形成することができる。このため、窓材としての意匠性を向上することができる。このクラスターが複数配設されているので、一定の配置パターンを太陽電池モジュールに付与することができ、意匠性を向上することができる。また、球状の太陽電池セルは非常に小さいため窓材に適用されても採光性を確保することができる。
本発明の上記の構成に加えて、次のような種々の構成を採用してもよい。
（１）前記第１基板の一端部に前記採光型太陽電池モジュールの正極端子を設け、第１基板の他端部に前記採光型太陽電池モジュールの負極端子を設ける。
（２）前記太陽電池セルは、ｐ形又はｎ形の球状半導体と、この球状半導体の表層部に形成された球面状のｐｎ接合と、球状半導体の中心を挟んで対向するように形成されて前記ｐｎ接合の両端に接合された１対の電極とを有する。
（３）前記複数クラスターに対応する複数のバイパスダイオードであって、前記複数の導電被膜及び導電部材を介して並列接続された複数のバイパスダイオードを備える。
（４）前記太陽電池セルは、逆電流をバイパスするバイパス機能を有する。
（５）前記導電接続部材は、導電被膜に連続する導電被膜延長部とこの導電被膜延長部の端部に接続された導電接続片とを有し、前記各クラスターにおける複数の太陽電池セルと前記導電接続片と前記バイパスダイオードは円環状に配設され、複数のクラスターが複数行複数列のマトリックス状に配設される。
（６）前記各行又は各列のクラスターの複数の太陽電池セルは、前記導電接続部材を介して直列接続され、前記複数列又は複数行のクラスターの各々における複数の導電被膜を電気的に接続する架橋導電被膜を設ける。
（７）前記各クラスターの複数の太陽電池セルは、内側六角形の頂点に配置された６個の太陽電池セル、前記内側六角形の外側の外側六角形の頂点に配置される。
（８）前記導電接続部材は導電被膜に連続する導電被膜延長部と、この導電被膜延長部の端部に接続された導電接続片とを有し、前記導電接続片は前記外側六角形の頂点に配置され、前記バイパスダイオードは前記内側六角形の中心部に配設される。
（９）前記複数のクラスターは、正三角形メッシュのメッシュ点に前記内側六角形の中心部を位置させるように複数行又は複数列に配置される。
（１０）前記複数行又は複数列における行又は列方向と直交する方向にジグザグ状に並ぶ複数のクラスターにおける前記複数の導電被膜を電気的に接続する架橋導電被膜を設ける。
（１１）前記各クラスターの複数の太陽電池セルは１直線状に配設される。
（１２）前記第１，第２基板は、透明なガラス板で構成される。
（１３）前記導電被膜により採光が遮断されない採光領域の全体の面積に占める比率が５０％以上である。
（１４）複数枚の前記採光型太陽電池モジュールを金属製の外周フレームに組み付けることで複数行又は複数列に配設される。
（１５）前記複数の導電被膜の下地に着色及びパターン化した図柄のセラミック膜を形成する。
本発明の実施例１に係る採光型太陽電池モジュールが組み込まれた太陽電池パネルの裏面図である。 採光型太陽電池モジュールの一部切欠き正面図である。 太陽電池パネルの側面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１のＶ−Ｖ線断面図である。 導電部材を除いた複数のクラスターが複数行複数列のマトリックス状に配設され配線された第１基板の正面図である。 図６の各クラスターに導電部材を接続した状態の第１基板の正面図である。 図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＸ−ＩＸ線断面図である。 球状太陽電池セルの断面図である。 太陽電池モジュールの等価回路図である。 太陽電池モジュールに入射する光の挙動と太陽電池モジュールの要部拡大断面図である。 実施例２に係る太陽電池モジュールの導電部材を除いた複数のクラスターが雪の結晶状に配設され配線された第１基板の正面図である。 図１３の各クラスターに導電部材を接続した状態の第１基板の正面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。 図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。 図１４の要部拡大正面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。 実施例３に係る太陽電池モジュールの複数のクラスターが玉簾状に配設され配線された第１基板の正面図である。 図１９のＸＸ−ＸＸ線断面図である。 図１９のＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。 図２０の太陽電池セルの要部拡大断面図である。 図１９の太陽電池セルの要部拡大正面図である。 図２０の導電接続片とバイパスダイオードの要部拡大断面図である。 図１９の導電接続片とバイパスダイオードの要部拡大正面図である。 実施例４に係る太陽電池セルの断面図である。 太陽電池セルの要部拡大断面図である。 太陽電池セルの等価回路図である。
符号の説明
１ 太陽電池パネル
３ 外周フレーム
２０，２０Ａ，２０Ｂ 採光型太陽電池モジュール
２１ 第１基板
２２，２２Ｂ 第２基板
２３ 正極端子
２４ 負極端子
２７ モールド材
２９，２９Ａ，２９Ｂ セラミック膜
３０，３０Ａ，３０Ｂ クラスター
３１，３１Ａ，３１Ｂ 導電被膜
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 太陽電池セル
３３ 球状半導体層
３４ 平坦面
３５ 拡散層
３６ ｐｎ接合
３７ 第１電極
３８ 第２電極
３９ 反射防止膜
４０，４０Ａ，４０Ｂ バイパスダイオード
４８，４８Ａ，４８Ｂ 導電部材
５０，５０Ａ，５０Ｂ 導電接続部材
５１，５１Ａ，５１Ｂ 導電被膜延長部
５３，５３Ａ，５３Ｂ 導電接続片
５５，５５Ａ 架橋導電被膜
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。
先ず、本発明が適用される太陽電池パネル１について説明する。
図１〜図５に示すように、太陽電池パネル１は、窓材として構成されるものであって、外周フレーム３と、３枚の採光型太陽電池モジュール２０とから構成されている。３枚の採光型太陽電池モジュール２０（以下、モジュールとする）を、長手方向を横向きにし、同一平面上に３行１列のマトリックス状に配設して外周フレーム３に組み付ける。
外周フレーム３とモジュール２０との隙間、及び上下に隣り合うモジュール２０との隙間には、シーリング材１５（例えば、シリコン樹脂）が充填され、雨や有害なガスが内部に侵入するのを防止する。尚、モジュール２０の枚数を３枚に限定する必要はなく、外周フレーム３のサイズを変更し、複数枚のモジュール２０を外周フレームに組み付けることで複数行又は複数列に配設することも可能である。
図３〜図５に示すように、外周フレーム３は、アルミ製のものであって、上下１対の水平フレーム５ａ，５ｂと左右１対の垂直フレーム６ａ，６ｂとから構成されている。上側の水平フレーム５ａには、水平フレーム５ａの長手方向に沿って延設された導電性の内部端子８ａと、この内部端子８ａの両端部に接続された左右１対の出力端子９ａと、これら出力端子９ａを外周フレーム３から絶縁する絶縁部材１１ａと、内部端子８ａを下側に付勢するリーフバネ１２と、モジュール２０を上側からバックアップし且つ内部端子８ａを水平フレーム５ａから絶縁するバックアップ部材１３ａとを備えている。
下側の水平フレーム５ｂには、水平フレーム５ｂの長手方向に沿って延設された導電性の内部端子８ｂと、この内部端子８ｂの両端部に接続された左右１対の出力端子９ｂと、出力端子９ｂを外周フレーム３から絶縁する絶縁部材１１ｂと、モジュール２０を下側からバックアップし且つ内部端子８ｂを水平フレーム５ｂから絶縁するバックアップ部材１３ｂとを備えている。尚、外周フレーム３を構成する素材は、アルミに限らず種々の金属製の材料が適用可能である。
上側及び下側の出力端子９ａ，９ｂは、金属製の細長い薄板状のもので、一端部が内部端子８ａ，８ｂの左右両端部に夫々一体的に接続され、他端部が外周フレーム３からパネル１の裏側に向けて突出されている。リーフバネ１２により、上側の出力端子９ａの内部端子８ａが上段モジュール２０の負極端子２４に押圧されると共に、上段モジュール２０の正極端子２３が中段モジュール２０の負極端子２４に押圧され、中段モジュール２０の正極端子２３が下段モジュール２０の負極端子２４に押圧され、電気的に確実に接続される。下段モジュール２０の下側の出力端子９ｂの内部端子８ｂは、モジュール２０の自重により正極端子２３に押圧されることで、電気的に確実に接続される。隣り合うモジュール２０間の電気的な接続は、上段モジュール２０の自重により上段の正極端子２３が中段モジュール２０の負極端子２４に押圧接触し、中段の正極端子２３が下段モジュール２０の負極端子２４に押圧接触することでも接続される。
次に、３枚の採光型太陽電池モジュール２０について説明するが、これら３枚のモジュール２０は全て同様の構造を有するので、１枚のモジュール２０についてのみ説明する。
図６〜図１０に示すように、このモジュール２０は、複数の球状の太陽電池セル３２により発電するものであって、光透過性の第１基板２１と、この第１基板２１上に複数行複数列のマトリックス状に配設された複数の円環状のクラスター３０と、第１基板２１に対して複数の太陽電池セル３２を挟んで平行に配置された光透過性の第２基板２２と、基板２１，２２との間に充填されて複数のクラスター３０を埋め込んだ状態にモールドする光透過性の合成樹脂モールド材２７を備えている。
次に、第１基板２１と第２基板２２について説明する。
第１基板２１は、周縁を面取りされた透明なガラスで構成され、例えば、厚さ２．８ｍｍ，縦２１０ｍｍ，横２９７ｍｍに加工されたものである。第１基板２１の下端部に外部接続用の断面逆Ｌ字状の正極端子２３（正極バンバー）を設け、第１基板２１の上端部に外部接続用の断面Ｌ字状の負極端子２４（負極バンバー）を設けている（図８参照）。第２基板２２は、第１基板２１と同様に、周辺を面取りされた透明なガラスで構成され、例えば、厚さ２．８ｍｍ，縦２１０ｍｍ，横２９７ｍｍに加工されたものである。基板２１，２２との隙間に充填される合成樹脂モールド材２７は、例えばＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂が使用される。
このように、光透過性の合成樹脂モールド材２７が、基板２１，２２との間に充填されて複数の太陽電池セル３２と複数の導電部材３１と複数のバイパスダイオード４０と複数の導電接続部材５０を埋め込んだ状態にモールドし一体化されるため、太陽電池セル３２が保護されると共に振動や機械的衝撃が強化され、モジュール２０全体の破損を防止することができ、安全性を高めることができる。また、通常使われている合わせガラス、網入りガラスと同様、万一破損した場合でも破片が飛び散るのが防げる。
ここで、このモジュール２０の製造方法を簡単に説明する。
第１基板２１の上に複数のクラスター３０を夫々設け、シート状のモールド材２７を複数のクラスター３０の上に載置し、その上に第２基板２２を積み重ねて公知のラミネータ装置に収容する。このラミネータ装置は、伸縮性を持つ膜によって上下に仕切られた真空室を有する。下側は、プレートを通じて試料を加熱するヒータを有する。第２基板２２を積み重ねた試料を加熱プレート上に置いて膜で仕切られた上下の空間のガスを排気しながらモールド材２７を１５０℃程度で加熱し熱溶融する。
その後、真空にした膜の上側の真空室のみ空気を導入すると仕切り膜によって基板２１，２２の両面が導入した空気圧で押圧される。そして、そのまま冷却してモールド材２７（ＥＶＡ樹脂）を固化させる。この熱溶融と硬化によって固体で乳白色であったモールド材２７は透明化し、基板２１，２２間の複数のクラスター３０は接着し、両側がガラスで挟まれた一体化されたモジュール２０が完成する。
次に、クラスター３０の構造について説明する。
但し、複数のクラスター３０は同じ構造のものであるため、１つのクラスター３０について説明する。図２，図６〜図１０に示すように、クラスター３０は、円環状に形成されたものであって、第１基板２１上に形成された導電被膜３１と、１０個の太陽電池セル３２と、バイパスダイオード４０と、導電接続部材５０の導電接続片５３と、これら太陽電池セル３２とバイパスダイオード４０と導電接続片５３とを電気的に接続する導電部材４８とから構成されている。
次に、導電被膜３１について説明する。
導電被膜３１は、第１基板２１の内面に円環状に形成され、１０個の太陽電池セル３２の正電極３７と、バイパスダイオード４０の負電極４５と、導電接続片５３とが等間隔に配置され導電性ペースト３１ｂを介して接続されている。バイパスダイオード４０と導電接続片５３は、お互い対向するように１０個の太陽電池セル３２間に配置され、導電接続片５３が接続される分離導電被膜部３１ａは、２本のスリットにより電気的に切り離されている。この分離導電被膜部３１ａは、導電接続部材５０の導電被膜延長部５１と一体的に形成されている。尚、導電被膜３１により採光が遮断されない採光領域の全体の面積に占める比率が５０％以上である。
この導電被膜３１は、先ず、導電被膜３１の下地として第１基板２１上に好みの色の顔料を混合したセラミックペーストをシルクスクリーン印刷して焼成し、セラミック膜２９を形成する。次いで、セラミック膜２９上にガラスフリットを含む銀ペーストをシルクスクリーン法で印刷し、５５０〜６２０℃の温度で焼成して導電被膜３１が形成される。この導電被膜３１の幅は２．４ｍｍ程度で太陽電池セル３２の直径よりも大きい。厚さは０．２５ｍｍ程度で使用状況に応じて厚さは０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲で形成されても良い。尚、導電被膜３１と同時に後述する導電接続部材５０の導電被膜延長部５１，５１ａ，５１ｂと、架橋導電被膜５５も同様に形成される。
次に、球状太陽電池セル３２の構造について説明する。
図１０に示すように、太陽電池セル３２は、導電方向を第１基板３１と直交方向に揃えられたものであって、ｐ形の球状半導体３３と、この球状半導体３３の表面の一部を研磨加工された平坦面３４と、この球状半導体３３の表層部にｎ形拡散層３５を形成することで形成された球面状のｐｎ接合３６と、球状半導体３３の中心を挟んで対向するように形成されてｐｎ接合３６の両端に接合された１対の正、負電極３７，３８（第１，第２電極）と、正，負電極３７，３８を除く部分に成膜された反射防止膜３９とを有する。この正電極３７が導電被膜３１上に導電性ペースト３１ｂを介して接続され、負電極３８が導電部材４８に導電性ペースト４８ａを介して接続されている。
この太陽電池セル３２の製造方法について簡単に説明する。
この太陽電池セル３２は、例えば、シリコンの液滴を自由落下し途中で凝固させる手法によって直径が約１．６ｍｍの球状のｐ形シリコン単結晶３３を作り、その後、表面の一部を研磨加工して平坦面３４を設ける。この平坦面３４とその周囲の一部を除いてｎ形不純物を表面から０．１μm程度の深さまで拡散しｎ形拡散層３５を形成することで球面状のｐｎ接合３６を形成する。尚、球状のｎ形シリコン単結晶にｐ形の拡散層を形成することでｐｎ接合を形成しても良い。
さらに、平坦面３４を含む球面全体にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）（必要に応じてシリコン窒化膜（ＳｉＮ））を成膜して反射防止膜３９とした後、次に、平坦面３４と球面の頂部にある反射防止膜３９に銀を含むペーストをドット状にプリントする。これをガス雰囲気内で８００℃程度まで加熱し銀ペーストを反射防止膜３９を貫通させてそれぞれｐ形の平坦面３４、ｎ形層の表面と低抵抗接触する正電極３７と負電極３８を設け、太陽電池セル３２を完成させる。
この太陽電池セル３２によると、図１０に示すように、球面のｐｎ接合３６を有するため、平坦面３４と電極３７，３８を除き太陽光の直射角度によらず常に一定の受光断面積が得られ安定した出力が得られる。さらに、電極３７，３８が球の中心を挟んでｐ形、ｎ形表面の中央に設けられているため、電極３７，３８からｐｎ接合３６上の任意のａ，ｂ，ｃ点とを結ぶ距離の和は等しく、ａ，ｂ，ｃ点で吸収し発生したキャリアの移動距離は等しく、流れる電流分布はほぼ均一となり曲線因子（ＣｕｒｖｅＦｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）が大きくなる。また、受光範囲が３次元的であり直射光以外の反射光、拡散光をも同時に受光するため周囲の光の利用度も高く高出力が得られる。
次に、バイパスダイオード４０について説明する。
図８に示すように、バイパスダイオード４０は、その導電方向を第１基板２１に対して直交方向になるように第１基板２１上に固定され、１０個の太陽電池セル３２に導電被膜３１と導電部材４８を介して逆並列接続されている。このバイパスダイオード４０は、太陽電池セル３２と同様の直径と高さを有する円柱状のものであって、ｎ形半導体４１にｐ形不純物を拡散しｐ形拡散層４２を形成することでｐｎ接合４３を形成し、ｎ形半導体４１の表面に負電極４５を、ｐ形拡散層４２の表面に正電極４６を夫々低抵抗接触させて設けたものである。
このバイパスダイオード４０により、逆並列接続した同じクラスター３０内の１０個の太陽電池セル３２が日陰などにより遮光され機能が停止した場合に、この機能停止したクラスター３０内の太陽電池セル３２に他の正常に機能（発電）しているクラスター３０内の太陽電池セル３２が起因となって逆方向に電圧が印加されても、このバイパスダイオード４０が電流をバイパスすることで、逆並列接続した太陽電池セル３２の破壊や損傷から保護することができ、クラスター３０の部分遮光によるモジュール２０全体の出力減少を最低限に留めることができる。
次に、導電部材４８について説明する。
図７〜図９に示すように、導電部材４８は、銀メッキした銅合金から、例えば直径０．３ｍｍの円環状に形成された金属線であって、導電性ペースト４８ａを介して１０個の太陽電池セル３２の負電極３８とバイパスダイオード４０の正電極４６と導電接続片５３とを接続している。この導電部材４８と導電被膜３１により、１０個の太陽電池セル３２と導電接続片５３が電気的に並列接続され、太陽電池セル３２に対してバイパスダイオード４０が電気的に逆並列接続され、１つの円環状のクラスター３０が構成される。
次に、複数のクラスター３０同士を電気的に接続する導電構造について説明する。
図６，図７に示すように、複数のクラスター３０は、複数行複数列に配設され、各列の複数のクラスター３０における複数の導電被膜３１及び複数の導電部材４８は導電接続部材５０により直列接続され、各行の複数のクラスター３０における複数の導電被膜３１は架橋導電被膜５５により並列接続されている。つまり、複数のクラスター３０のうち各列のクラスター３０の複数群の太陽電池セル３２は、導電接続部材５０を介して直列接続され、各行のクラスター３０の複数群の太陽電池セル３２は、架橋導電被膜５５を介して並列接続されている。
導電接続部材５０は、導電被膜３１に連続する直線状の導電被膜延長部５１と、この導電被膜延長部５１に接続され且つクラスター３０の一部を構成する導電接続片５３とを有している。この導電被膜延長部５１は、導電被膜３１と同様に銀ペーストから形成されている。導電接続片５３は、円柱状の金属片であってバイパスダイオード４０と同様の直径と高さを有する。尚、導電被膜延長部５１は必ずしも直線状である必要はなく、意匠に応じてジグザグ状や曲線状のものであっても良い。
各行の複数の導電被膜３１を電気的に接続する架橋導電被膜５５が設けられている。この架橋導電被膜５５は、導電被膜３１と同様に銀ペーストから形成される。尚、架橋導電被膜５５は必ずしも直線状である必要はなく、ジグザグ状や曲線状のものであっても良い。各列の最も下側のクラスター３０の導電被膜３１は、導電被膜延長部５１ａを介して正極端子２３に接続され、最も上側のクラスター３０の導電被膜３１は導電被膜延長部５１ｂを介して負極端子２４に接続されている。
このように、複数のクラスター３０が、直列・並列接続されているので、一部のクラスター３０が機能停止した場合などにおいても、それら機能を停止したクラスター３０を迂回するように他のクラスターを通って電流が流れるため、その他の正常なクラスター３０の発電機能が停止したり低下したりすることがなく、このモジュール２０全体の出力低下に及ぼす影響を最低限に留めることができる。
次に、このモジュール２０の等価回路図について説明する。
図１１は、このモジュール２０において、複数行複数列のマトリックス状に配設された複数のクラスター３０を有する場合の等価回路を示すものである。
ここで、例えば、３行４列に配設された複数クラスター３０が組み込まれたモジュールの出力について説明する。１個の太陽電池セル３２の開放電圧が例えば０．６Ｖである場合、正極端子２３と負極端子２４の間に４個のクラスター３０が直列接続されているので、２．４Ｖの電圧が発生する。そして各行の各クラスター３０の１個の太陽電池セル３２により発生する電流をＩとすると、３個のクラスター３０が並列接続されているので、正極端子２３から３０Ｉの電流が流出する。
つまり、３枚のモジュール２０が組み付けられている太陽電池パネル１においては、７．２Ｖの電圧が発生し、正極端子から３０Ｉの電流が流出する。尚、モジュール２０の出力電圧を上げるには、クラスター３０の直列接続数を増やし、モジュール２０からの出力電流を上げる場合は、クラスター３０の並列接続数を増やすことで実現できる。パネル１においても同様で、出力電圧を上げるには、モジュール２０の直列接続数を増やし、モジュール２０からの出力電流を上げる場合も、モジュール２０の並列接続数を増やすことで実現できる。
次に、このモジュール２０に入射する光の挙動について説明する。
図１２は、このモジュール２０に入射する光の挙動を示す為に、一部を拡大図示したものである。入射光ａは、第２基板２２から第１基板２１へ素通りする光であり、入射光ｂは、第２基板２２から太陽電池セル３２に直接入射する光であり、入射光ｂ’は、入射光ｂが第２基板２２で反射した反射光である。
入射光ｃは、第２基板２２から入射され太陽電池セル３２周辺の導電被膜３１で反射して太陽電池セル３２に入射する光であり、入射光ｄは、太陽電池セル３２周辺以外で多重反射して太陽電池セル３２に入射する光であり、入射光ｅは、第１基板２１から第２基板２２へ素通りする光であり、入射光ｆは、第１基板２１から入射し第２基板２２で反射し太陽電池セル３２に入射する光であり、入射光ｆ’は、入射光ｆが第１基板２１で反射した反射光である。つまり、室内への採光の為の基板２１，２２を素通りする光を除いて、基板２１，２２に垂直に入射する光は勿論、その他種々の方向から入射される光も太陽電池セル３２の方へ導入されやすくなっており、入射光の利用効率を高めることができる。
このように、これら複数の太陽電池セル３２は、直接入射される入射光以外に、基板２１，２２間の反射及び散乱によってもたらされる多方向から入射する光も吸収可能である。特に、銀を利用した導電被膜３１は、電気伝導率と光反射率は高くなるため、配線による電気抵抗損失を少なくしながら内部反射により太陽電池セル３２に到達する光の量を増やし、光起電力を高める効果がある。このクラスター３０における太陽電池セル３２が円の中心から放射状に等間隔に配置されているため、モジュール２０の受光面の垂直軸の回転方向及び入射角に対する出力の方向依存性が少なくすることができる。
次に、この採光型太陽電池モジュール２０の効果について説明する。
このモジュール２０によれば、複数の太陽電池セル３２が吸収した光は発電に、複数の太陽電池セル３２間を透過した光は室内への採光とすることができる。モジュール２０としての発電量と採光量の比率は、第１基板２１に対する組み込んだ太陽電池セル３２全体の投影面積に対して依存する。つまり、強い陽射しを和らげる場合には、太陽電池セル３２の配置密度によって太陽電池セル３２全体の投影面積を増やし、発電量をふやすことができる。
このモジュール２０によれば、複数のクラスター３０を配置するパターンを自由に設定することができるため、複数のクラスター３０でもって意匠性の高い種々の模様を構成することができる。しかも、上記導電被膜３１の下地として第１基板２１の表面に好みの色の顔料を加えたセラミックペーストをシルクスクリーン印刷して焼成し、セラミック膜２９を形成することにより基板２１の下面（室内側）からみてカラフルな美しい模様を形成することも可能である。また、セラミック膜２９により太陽電池セル３２や導電被膜３１を見えにくくすることができる。このため、光発電機能以外に建材としての意匠性の高いモジュールを実現することができる。さらに、セラミック膜２９を形成することで、導電皮膜３１との密着性を向上すると共にガラス基板２１の強度を向上することができる。
このモジュール２０によれば、複数行複数列のマトリックス状に配設された円環状のクラスター３０が幾何学的な図柄を表現すると共に太陽光発電と採光を調和させた窓材として利用でき、円環状のクラスター３０の内径と外径、及びこれらクラスター３０の間隔は、意匠性、光透過率、発電出力を考慮した設計を可能とする。
このモジュール２０によれば、導電被膜３１と導電接続部材５０と架橋導電被膜５５による配線は、第１基板２１の垂直方向から見て太陽電池セル３２が隠れる程度の幅を持たせ、この配線の図柄あるいは絵柄が強調できるようにし、モジュール２０の裏側から見た意匠性を高めるようにすると共に、表面から入射した光を反射させて太陽電池セル３２の受光量を増やして出力を高めることができる。
このモジュール２０によれば、複数の太陽電池セル３２と、複数の導電被膜３１のサイズは、従来の平板型太陽電池セルや薄膜太陽電池セルと比較すると、小さくかつ細かく分散して配置できるため、それ自体が大きな視野の妨げにならず均一な採光性と違和感のない内外の景観が見られるシースルー型の太陽電池モジュールとして利用できる。
このモジュール２０によれば、光透過性の基板２１，２２の間に複数の太陽電池セル３２を埋め込み、このモジュール２０を窓材として使用することで、独立した太陽電池パネルを用いて発電する場合と比較して、ガラスなどの部材費用や設置にかかる諸費用を低減できる。また、第１基板２１上に、複数の球状太陽電池セル３２や複数の導電被膜３１の部材を形成し、その上に第２基板２２を積載するので、第２基板２２には部品を形成する必要がなく組立が容易になる。
この実施例２は、前記実施例１の複数のクラスター３０における複数の球状太陽電池セルの配置パターンを変更した採光型太陽電池モジュール２０Ａの例を示すものであり、前記実施例１と異なる構成についてのみ説明する。
図１３〜図１８に示すように、クラスター３０Ａは、雪の結晶のように形成されたものであって、第１基板２１上に形成された導電被膜３１Ａと、１１個の太陽電池セル３２Ａと、バイパスダイオード４０Ａと、導線接続部材５０Ａの導電接続片５３Ａと、これら太陽電池セル３２Ａとバイパスダイオード４０Ａと導電接続片５３Ａとを電気的に接続する導電部材４８Ａから構成されている。尚、このクラスター３０Ａを形成する雪の結晶状とは、内側六角形と、内側六角形の外側に同心状に配置された外側六角形とを有し、クラスターの中心と内側六角形の６頂点と外側六角形の６頂点とを６本の放射状直線で夫々結んだパターン状のものである。
導電被膜３１Ａは、第１基板２１上に、中心点と内側六角形の各頂点と外側六角形の各頂点に形成された１２個のドット状導電被膜６１と、各ドット状導電被膜６１をクラスター３０Ａの中心から外側に向けて結ぶ線状導電被膜６２とから構成されている。このドット状導電被膜６１は、太陽電池セル３２の直径より大径に形成されている。線状導電被膜６２のうち、導電接続片５３Ａが配設されるドット状導電被膜６１とこの中心方向に隣接する太陽電池セル３２Ａが接続されるドット状導電被膜６１との間の線状導電被膜６２は省略される。この切り離されたドット状導電被膜６２は、導電被膜延長部５１Ａの一端部と一体的に形成されている。
クラスター３０Ａの複数の太陽電池セル３２Ａは、内側六角形の頂点のドット状導電被膜６１に配置された６個の太陽電池セル３２Ａと、内側六角形の外側の外側六角形の頂点のドット状導電被膜に配置された５個の太陽電池セル３２Ａとを有している。バイパスダイオード４０Ａは内側六角形の中心部のドット状導電被膜６１に配設されている。つまり、１１個の太陽電池セル３２Ａが並列接続され、これら太陽電池セル３２Ａに対してバイパスダイオード４０Ａが逆並列接続されている。導電部材４８Ａは、導電被膜３１Ａに対応するように雪の結晶状に形成され、この導電部材４８Ａを介して太陽電池セル３２Ａの負電極３８とバイパスダイオード４０Ａの正電極４６と導電接続片５３Ａとが電気的に接続されている。
次に、複数のクラスター３０Ａ同士を電気的に接続する導電構造について説明する。
図１３，図１４に示すように、複数のクラスター３０Ａは、正三角形メッシュのメッシュ点に内側六角形の中心部を位置させるように複数行複数列に配置され、導電接続部材５０Ａにより各クラスター３０Ａの複数の導電被膜３１Ａ及び導電部材４８Ａは直列接続され、架橋導電被膜５５Ａにより列方向と直交する方向にジグザグ状に並ぶ複数のクラスター３０Ａにおける複数の導電被膜３１Ａが電気的に並列接続されている。導電接続部材５０Ａは導電被膜３１Ａに連続する導電被膜延長部５１Ａと、この導電被膜延長部５１Ａの一端部に接続された導電接続片５３Ａとを有し、導電接続片５３Ａは外側六角形の頂点に配置されている。導電接続片５３Ａは、金属製の球状に形成されている。
次に、このモジュール２０Ａの効果について説明する。
このモジュール２０Ａによれば、１１個の太陽電池セル３２Ａがクラスター３０Ａの中心から６０°の間隔をあけて放射状に配設されているために、モジュール２０Ａに入射されてくる入射光に対する出力の方向依存性が前記実施例１と比較して少なくなる。
行方向のクラスター３０Ａをジグザグ状に配設している為に、直線状な日陰によって同一の並列接続された全ての太陽電池セル３２Ａが機能停止状態になる事態を減らすことができるので、バイパスダイオード４０Ａの代わりに太陽電池セル３２Ａを設け、モジュール２０Ａの出力を高めることができる。このモジュール２０Ａの表面または裏面からは導電被膜３１Ａと導電部材４８Ａにより雪の結晶状のような意匠性のあるパターンが見られ、太陽光を含む外来光を効率よく吸収し発電する太陽電池パネル１として利用できる。尚、その他の効果は、前記実施例１と同様であるので説明は省略する。
この実施例３は、前記実施例１の複数のクラスター３０における複数の球状太陽電池セルの配置を変更した採光型太陽電池モジュール２０Ｂの例を示すものであり、前記実施例１と異なる構成についてのみ説明する。
図１９〜図２５に示すように、このクラスター３０Ｂは、横方向に１直線状に形成されたものであって、第１基板２１の内面に形成された導電被膜３１Ｂと、複数の球状太陽電池セル３２Ｂと、バイパスダイオード４０Ｂと、導電接続部材５０Ｂの導電接続片５３Ｂと、これら太陽電池セル３２Ｂとバイパスダイオード４０Ｂと導電接続片５３Ｂとを電気的に接続する導電部材４８Ｂから構成されている。
導電被膜３１Ｂは、１直線状のものであって、複数の太陽電池セル３２Ａに対応する複数の円形導電被膜６４と、これら円形導電被膜６４の両側に設けられた２つの角形導電被膜６５と、導電接続片５３Ｂが接続される角形導電被膜６５とそれと隣接する円形導電被膜６４との間を除いて角形導電被膜６５と円形導電被膜６４及び円形導電被膜６４同士を接続する線状導電被膜６６とを有している。この導電被膜３１Ｂは、縦方向に一定の間隔おきに複数本平行に第１基板２１上に形成されている。尚、第２基板２２Ｂの内面側の周辺部分２２ａは、サンドブラスト加工により粗面にしたすりガラス状に形成され、モジュール２０Ｂの表面から正極端子２３及び負極端子２４、バイパスダイオード４０Ｂや導電接続片５３Ｂが見えにくい状態にされている。
各クラスター３０Ｂの複数の太陽電池セル３２Ｂは、円形導電被膜６４上に１直線状に配設されて太陽電池セル３２Ｂの正電極３７が接続され、角形導電被膜６５のうち円形導電被膜６４から電気的に切り離されている一方に、導電接続片５３Ｂが配設され、他方に太陽電池セル３２Ｂとは逆並列接続になるようにバイパスダイオード４０Ｂが接続されている。導電部材４８Ｂは１直線状に形成され、この導電部材４８Ｂを介して太陽電池セル３２Ｂとバイパスダイオード４０Ｂと導電接続片５３Ｂとが電気的に接続されている。
次に、複数のクラスター３０Ｂ同士を電気的に接続する導電構造について説明する。
この複数のクラスター３０Ｂは、導電接続部材５０Ｂを介して上側から下側に向けて直列接続されている。最上段のクラスター３０Ｂの右側の角形導電被膜６５は導電被膜延長部５１ｂＢを介して負極端子２４に接続され、最下段のクラスター３０Ｂの右側の角形導電被膜６５は導電被膜延長部５１ａＢを介して正極端子２３に接続されている。
次に、このモジュール２０Ｂの効果について説明する。
このモジュール２０Ｂは、光が透過できるように太陽電池セル３２Ｂを固着した１直線状の導電被膜３１Ｂを間隔を設けて形成し、この導電被膜部分３２Ｂを除いた透過部分の面積によって窓材としての採光率を決めることができる。表面または裏面から導電被膜３１Ｂと導電部材４８Ｂにより意匠性のあるパターンが見られ、且つ太陽光を含む外来光を効率よく吸収し発電する太陽電池パネル１として利用できる。尚、その他の効果は、前記実施例１と同様であるので説明を省略する。
この実施例４は、前記実施例１〜３の球状太陽電池セル３２，３２Ａ，３２Ｂの代わりに本実施例の太陽電池セル３２Ｃを採用してもよい。また、この場合、前記バイパスダイオードを太陽電池セル３２と置き替えることができる。図２６〜図２８に示すように、この太陽電池セル３２Ｃは、球状のｐ形シリコン単結晶７１と、シリコン単結晶７１の一端部に形成された平坦面７２と、この平坦面７２を除いてシリコン単結晶７１の表面部に形成されたｎ＋拡散層７３と、シリコン単結晶７１の中心を挟んで対向する正電極７５，負電極７６と、正電極７５のシリコン単結晶７１側の内面部に形成されたｐ＋拡散層７７と、太陽電池セル３２Ｃの表面のうちの正電極７５及び負電極７６以外の部分を覆う反射防止膜７８とを備えている。
シリコン単結晶７１の表面部には、光起電力を発生可能なｐｎ接合として機能するｐｎ＋７４接合が形成されており、このｐｎ＋接合７４は、平坦面７２を除く、シリコン単結晶７１の表面から一定の深さ位置に実質的に球面状に形成されている。ｐｎ＋接合７４の両端には、スポット状の１対の電極７５，７６が接続されている。正電極７５の外周近傍部のうちの正電極７５よりもシリコン単結晶側７１部分には、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ＋ｎ＋接合７９が環状に形成されている。つまり、この太陽電池セル３２Ｃの等価回路は、図２８のようになる。
このモジュールによると、並列接続された複数行のうちの１行のクラスターの一部又は全部の太陽電池セル３２Ｃが影に入って、太陽電池セル３２Ｃに逆電圧が印加されても、その行の太陽電池セル３２Ｃのｐ＋ｎ＋接合７９を通ってバイパス電流が流れる（図２８参照）。従って、複数のクラスターをメッシュ状の直列並列回路により電気的に接続してなるモジュールにおいて、どのようなパターンの影が発生しても、発電電力をロスなく、取り出すことが可能になり、個々の太陽電池セルに悪影響が生ずることもない。また、バイパスダイオードを必要としないので、太陽電池セル数も増え、モジュールの出力を高めることができる。
次に、前記実施例を部分的に変更した種々の変更形態について説明する。
［１］このモジュールの出力電力と採光率（あるいは遮光率）の割合は、主として使用する複数の太陽電池セルの出力電力及びその使用数と、光透過性の第1基板上に設けた複数の導電被膜による遮光総面積に依存するので、窓材としての意匠性を高め付加価値を上げるため、複数の太陽電池セルの配置や使用数は、第1基板上の導電被膜の図柄あるいは絵柄に対応して種々設計することができる。
［２］このモジュールは、この採光型太陽電池パネル以外にも、利用が期待される窓材を含む建材、例えば、ガラス窓、アトリウム、トップライト、カーテンウォール、ファサード、キャノピー、ルーバー、ダブル・スキンの外面、バルコニーの手摺、高速道路や鉄道の防音壁などに適用することができる。
採光型太陽電池モジュールにおいて、複数の球状の太陽電池セルを含んだクラスターを複数配設し、各クラスターを円環状や雪の結晶状または１直線状に構成し、複数のクラスター配設することで、採光率と発電能力の比率選択性の許容幅を向上させることができ、窓材としての意匠性を高め得ることができる。
本発明は採光型太陽電池モジュールに関し、特に、複数の球状太陽電池セルを含むクラスターを複数形成し、これら複数のクラスターを複数行複数列のマトリックス状など様々なパターンに配設し、且つ１対の光透過性の基板に一体的に組み込んだ採光型太陽電池モジュールに関する。
従来、採光可能な窓材に太陽電池セルを組み込んだ種々の太陽電池モジュール或いは太陽電池パネルが既に実用化されている。一般的に、ウェハ状のシリコン結晶から製造された平板状のシリコン太陽電池セルを、２枚のガラス板と重ね合わせて作るシリコン型太陽電池モジュール（或いはパネル）がある。このモジュールは、太陽電池セルを適当な間隔を空けて平面状に並べ、リボン状の導体で各セルを結線したものを、２枚のガラス板の間にＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂を用いて隙間を埋め込むようにして張り合わせたものである。
また、アモルファスと微結晶を組み合わせた薄膜型太陽電池モジュールがある。このモジュールを窓材に形成する為には、先ず、ガラス基板上に透明電極膜ＴＣＯ（ＳｎＯ ２ ）を成膜し、セル電極部分を作るためレーザ光を用いて分離分割する。次いで、シリコン薄膜、アモルファスシリコン（ａ-Ｓｉ）、シリコン薄膜微結晶を順次積層し、レーザ光でこの発電層を一定のピッチで分離分割する。さらに、裏面全体に電極となる金属薄膜を全面に被着し、再度レーザ光で金属層を絶縁分離して小さな薄膜太陽電池セルを一度に多数個直列接続する。
これら上記の太陽電池モジュールにおいては、受光面が太陽電池セルの片面に限られたものであり、モジュール周囲の光の利用範囲が狭く発電能力が低いものである。また、シリコン型太陽電池モジュールにおいては、大きなサイズの平板型太陽電池セルにより採光率を悪化させてしまう。さらに、薄膜型太陽電池モジュールにおいては、ガラス基板に薄膜を製造することに困難が伴うものである。
そこで、本願発明者は上記の問題を鑑みて特許文献１のような球状太陽電池セルを提案した。この球状太陽電池セルは、直径が１〜２ｍｍのｐ形又はｎ形の球状半導体と、この球状半導体の表面近傍に形成された球面状のｐｎ接合と、その球状半導体の表面の両端に球の中心を挟んで対向するように設けた１対の小さな正，負電極などで構成されている。この球状太陽電池セルは、上記のシリコン型太陽電池セルや薄膜型太陽電池セルと比較して、小型なものであって容易に且つ安価に製造できるものである。
この球状太陽電池セルは、表面が球面であるため、直射光のほか、反射光、散乱光が多い環境においてその効果を十分に発揮する。例えば、透明なパッケージ内に収めた場合には、その内部の反射光及び散乱光も発電に寄与でき、窓を兼ねた太陽電池モジュールをビルなどの建物に垂直に設置した場合、地面や周囲の建物などの反射光も吸収して発電することができる。太陽の直射光は、時間と共に入射角が変化するが受光面が球面状であるため、平面型と比較すると入射方向に依存せずに比較的安定した発電も期待できる。
また、本願発明者は、特許文献２や特許文献３に示すように、上記の球状太陽電池セルを複数行複数列配置のマトリックス状に配設し、フレキシブルな細い導線やプリント配線によって並列接続および直列接続し、１対の透明ケース板間に透明樹脂でモールドしたシースルー型の太陽電池モジュールを提案している。
国際公開ＷＯ９８／１５９８３号公報 国際公開ＷＯ０３／３６７３１号公報 国際公開ＷＯ２００７／８０６３１号公報
しかし、上記特許文献１〜３の複数の球状太陽電池セルは、略直線状に且つ密接状態に配設されているため、意匠性の向上を図る上では問題がある。例えば、上記の球状太陽電池モジュールが組み込まれた窓材の場合では、太陽電池セルが密接状態に配設されているので、窓材としての採光率と太陽電池モジュールとしての発電能力を適宜設定する設計の自由度が狭くなり、太陽電池セルにより視界が遮られてしまい意匠性を高めることができない、などの問題がある。
本発明は、窓材としての意匠性を向上させ得る採光型太陽電池モジュールを提供すること、窓材としての採光率を高め得る採光型太陽電池モジュールを提供すること、などである。
本発明に係る採光型太陽電池モジュールは、複数の球状の太陽電池セルにより発電する採光型太陽電池モジュールにおいて、光透過性の第１基板と、導電方向を第１基板と直交方向に揃え且つ複数クラスターにグループ化された複数の球状の太陽電池セルと、前記第１基板の内面に複数クラスターに対応させて形成され、各クラスターの複数の太陽電池セルの第１電極が電気的に並列接続された複数の導電被膜と、前記複数クラスターの各々における複数の太陽電池セルの第２電極が電気的に並列接続された複数の導電部材と、前記複数クラスターの各々における導電被膜を、所定方向に隣接するクラスターの導電部材に電気的に接続する複数の導電接続部材と、前記第１基板に対して複数の太陽電池セルを挟んで平行に配置された光透過性の第２基板と、前記第１，第２基板との間に充填されて複数の太陽電池セルと複数の導電部材と複数の導電接続部材を埋め込んだ状態にモールドする光透過性の合成樹脂モールド材と、を備えたことを特徴としている。
本発明の採光型太陽電池モジュールによれば、複数クラスターの各々が、複数の球状の太陽電池セルを有するので、各クラスターがセルの配設パターンを自由に形成することができる。このため、窓材としての意匠性を向上することができる。このクラスターが複数配設されているので、一定の配置パターンを太陽電池モジュールに付与することができ、意匠性を向上することができる。また、球状の太陽電池セルは非常に小さいため窓材に適用されても採光性を確保することができる。
本発明の上記の構成に加えて、次のような種々の構成を採用してもよい。
（１）前記第１基板の一端部に前記採光型太陽電池モジュールの正極端子を設け、第１基板の他端部に前記採光型太陽電池モジュールの負極端子を設ける。
（２）前記太陽電池セルは、ｐ形又はｎ形の球状半導体と、この球状半導体の表層部に形成された球面状のｐｎ接合と、球状半導体の中心を挟んで対向するように形成されて前記ｐｎ接合の両端に接合された１対の電極とを有する。
（３）前記複数クラスターに対応する複数のバイパスダイオードであって、前記複数の導電被膜及び導電部材を介して並列接続された複数のバイパスダイオードを備える。
（４）前記太陽電池セルは、逆電流をバイパスするバイパス機能を有する。
（５）前記導電接続部材は、導電被膜に連続する導電被膜延長部とこの導電被膜延長部の端部に接続された導電接続片とを有し、前記各クラスターにおける複数の太陽電池セルと前記導電接続片と前記バイパスダイオードは円環状に配設され、複数のクラスターが複数行複数列のマトリックス状に配設される。
（６）前記各行又は各列のクラスターの複数の太陽電池セルは、前記導電接続部材を介して直列接続され、前記複数列又は複数行のクラスターの各々における複数の導電被膜を電気的に接続する架橋導電被膜を設ける。
（７）前記各クラスターの複数の太陽電池セルは、内側六角形の頂点に配置された６個の太陽電池セル、前記内側六角形の外側の外側六角形の頂点に配置される。
（８）前記導電接続部材は導電被膜に連続する導電被膜延長部と、この導電被膜延長部の端部に接続された導電接続片とを有し、前記導電接続片は前記外側六角形の頂点に配置され、前記バイパスダイオードは前記内側六角形の中心部に配設される。
（９）前記複数のクラスターは、正三角形メッシュのメッシュ点に前記内側六角形の中心部を位置させるように複数行又は複数列に配置される。
（１０）前記複数行又は複数列における行又は列方向と直交する方向にジグザグ状に並ぶ複数のクラスターにおける前記複数の導電被膜を電気的に接続する架橋導電被膜を設ける。
（１１）前記各クラスターの複数の太陽電池セルは１直線状に配設される。
（１２）前記第１，第２基板は、透明なガラス板で構成される。
（１３）前記導電被膜により採光が遮断されない採光領域の全体の面積に占める比率が５０％以上である。
（１４）複数枚の前記採光型太陽電池モジュールを金属製の外周フレームに組み付けることで複数行又は複数列に配設される。
（１５）前記複数の導電被膜の下地に着色及びパターン化した図柄のセラミック膜を形成する。
本発明の実施例１に係る採光型太陽電池モジュールが組み込まれた太陽電池パネルの裏面図である。 採光型太陽電池モジュールの一部切欠き正面図である。 太陽電池パネルの側面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１のＶ−Ｖ線断面図である。 導電部材を除いた複数のクラスターが複数行複数列のマトリックス状に配設され配線された第１基板の正面図である。 図６の各クラスターに導電部材を接続した状態の第１基板の正面図である。 図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＸ−ＩＸ線断面図である。 球状太陽電池セルの断面図である。 太陽電池モジュールの等価回路図である。 太陽電池モジュールに入射する光の挙動と太陽電池モジュールの要部拡大断面図である。 実施例２に係る太陽電池モジュールの導電部材を除いた複数のクラスターが雪の結晶状に配設され配線された第１基板の正面図である。 図１３の各クラスターに導電部材を接続した状態の第１基板の正面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。 図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。 図１４の要部拡大正面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。 実施例３に係る太陽電池モジュールの複数のクラスターが玉簾状に配設され配線された第１基板の正面図である。 図１９のＸＸ−ＸＸ線断面図である。 図１９のＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。 図２０の太陽電池セルの要部拡大断面図である。 図１９の太陽電池セルの要部拡大正面図である。 図２０の導電接続片とバイパスダイオードの要部拡大断面図である。 図１９の導電接続片とバイパスダイオードの要部拡大正面図である。 実施例４に係る太陽電池セルの断面図である。 太陽電池セルの要部拡大断面図である。 太陽電池セルの等価回路図である。
１ 太陽電池パネル
３ 外周フレーム
２０，２０Ａ，２０Ｂ 採光型太陽電池モジュール
２１ 第１基板
２２，２２Ｂ 第２基板
２３ 正極端子
２４ 負極端子
２７ モールド材
２９，２９Ａ，２９Ｂ セラミック膜
３０，３０Ａ，３０Ｂ クラスター
３１，３１Ａ，３１Ｂ 導電被膜
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 太陽電池セル
３３ 球状半導体層
３４ 平坦面
３５ 拡散層
３６ ｐｎ接合
３７ 第１電極
３８ 第２電極
３９ 反射防止膜
４０，４０Ａ，４０Ｂ バイパスダイオード
４８，４８Ａ，４８Ｂ 導電部材
５０，５０Ａ，５０Ｂ 導電接続部材
５１，５１Ａ，５１Ｂ 導電被膜延長部
５３，５３Ａ，５３Ｂ 導電接続片
５５，５５Ａ 架橋導電被膜
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。
先ず、本発明が適用される太陽電池パネル１について説明する。
図１〜図５に示すように、太陽電池パネル１は、窓材として構成されるものであって、外周フレーム３と、３枚の採光型太陽電池モジュール２０とから構成されている。３枚の採光型太陽電池モジュール２０（以下、モジュールとする）を、長手方向を横向きにし、同一平面上に３行１列のマトリックス状に配設して外周フレーム３に組み付ける。
外周フレーム３とモジュール２０との隙間、及び上下に隣り合うモジュール２０との隙間には、シーリング材１５（例えば、シリコン樹脂）が充填され、雨や有害なガスが内部に侵入するのを防止する。尚、モジュール２０の枚数を３枚に限定する必要はなく、外周フレーム３のサイズを変更し、複数枚のモジュール２０を外周フレームに組み付けることで複数行又は複数列に配設することも可能である。
図３〜図５に示すように、外周フレーム３は、アルミ製のものであって、上下１対の水平フレーム５ａ，５ｂと左右１対の垂直フレーム６ａ，６ｂとから構成されている。上側の水平フレーム５ａには、水平フレーム５ａの長手方向に沿って延設された導電性の内部端子８ａと、この内部端子８ａの両端部に接続された左右１対の出力端子９ａと、これら出力端子９ａを外周フレーム３から絶縁する絶縁部材１１ａと、内部端子８ａを下側に付勢するリーフバネ１２と、モジュール２０を上側からバックアップし且つ内部端子８ａを水平フレーム５ａから絶縁するバックアップ部材１３ａとを備えている。
下側の水平フレーム５ｂには、水平フレーム５ｂの長手方向に沿って延設された導電性の内部端子８ｂと、この内部端子８ｂの両端部に接続された左右１対の出力端子９ｂと、出力端子９ｂを外周フレーム３から絶縁する絶縁部材１１ｂと、モジュール２０を下側からバックアップし且つ内部端子８ｂを水平フレーム５ｂから絶縁するバックアップ部材１３ｂとを備えている。尚、外周フレーム３を構成する素材は、アルミに限らず種々の金属製の材料が適用可能である。
上側及び下側の出力端子９ａ，９ｂは、金属製の細長い薄板状のもので、一端部が内部端子８ａ，８ｂの左右両端部に夫々一体的に接続され、他端部が外周フレーム３からパネル１の裏側に向けて突出されている。リーフバネ１２により、上側の内部端子８ａが上段モジュール２０の負極端子２４に押圧されると共に、上段モジュール２０の正極端子２３が中段モジュール２０の負極端子２４に押圧され、中段モジュール２０の正極端子２３が下段モジュール２０の負極端子２４に押圧され、電気的に確実に接続される。下段モジュール２０の下側の内部端子８ｂは、モジュール２０の自重により正極端子２３に押圧されることで、電気的に確実に接続される。隣り合うモジュール２０間の電気的な接続は、上段モジュール２０の自重により上段の正極端子２３が中段モジュール２０の負極端子２４に押圧接触し、中段の正極端子２３が下段モジュール２０の負極端子２４に押圧接触することでも接続される。
次に、３枚の採光型太陽電池モジュール２０について説明するが、これら３枚のモジュール２０は全て同様の構造を有するので、１枚のモジュール２０についてのみ説明する。
図６〜図１０に示すように、このモジュール２０は、複数の球状の太陽電池セル３２により発電するものであって、光透過性の第１基板２１と、この第１基板２１上に複数行複数列のマトリックス状に配設された複数の円環状のクラスター３０と、第１基板２１に対して複数の太陽電池セル３２を挟んで平行に配置された光透過性の第２基板２２と、基板２１，２２との間に充填されて複数のクラスター３０を埋め込んだ状態にモールドする光透過性の合成樹脂モールド材２７を備えている。
次に、第１基板２１と第２基板２２について説明する。
第１基板２１は、周縁を面取りされた透明なガラスで構成され、例えば、厚さ２．８ｍｍ，縦２１０ｍｍ，横２９７ｍｍに加工されたものである。第１基板２１の下端部に外部接続用の断面逆Ｌ字状の正極端子２３（正極バスバー）を設け、第１基板２１の上端部に外部接続用の断面Ｌ字状の負極端子２４（負極バスバー）を設けている（図８参照）。第２基板２２は、第１基板２１と同様に、周縁を面取りされた透明なガラスで構成され、例えば、厚さ２．８ｍｍ，縦２１０ｍｍ，横２９７ｍｍに加工されたものである。基板２１，２２との隙間に充填される合成樹脂モールド材２７は、例えばＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂が使用される。
このように、光透過性の合成樹脂モールド材２７が、基板２１，２２との間に充填されて複数の太陽電池セル３２と複数の導電被膜３１と複数のバイパスダイオード４０と複数の導電接続部材５０を埋め込んだ状態にモールドし一体化されるため、太陽電池セル３２が保護されると共に振動や機械的衝撃に対して強化され、モジュール２０全体の破損を防止することができ、安全性を高めることができる。また、通常使われている合わせガラス、網入りガラスと同様、万一破損した場合でも破片が飛び散るのが防げる。
ここで、このモジュール２０の製造方法を簡単に説明する。
第１基板２１の上に複数のクラスター３０を夫々設け、シート状のモールド材２７を複数のクラスター３０の上に載置し、その上に第２基板２２を積み重ねて公知のラミネータ装置に収容する。このラミネータ装置は、伸縮性を持つ膜によって上下に仕切られた真空室を有する。下側は、プレートを通じて試料を加熱するヒータを有する。第２基板２２を積み重ねた試料を加熱プレート上に置いて膜で仕切られた上下の空間のガスを排気しながらモールド材２７を１５０℃程度で加熱し熱溶融する。
その後、真空にした膜の上側の真空室のみ空気を導入すると仕切り膜によって基板２１，２２の両面が導入した空気圧で押圧される。そして、そのまま冷却してモールド材２７（ＥＶＡ樹脂）を固化させる。この熱溶融と硬化によって固体で乳白色であったモールド材２７は透明化し、基板２１，２２間の複数のクラスター３０は接着し、両側がガラスで挟まれた一体化されたモジュール２０が完成する。
次に、クラスター３０の構造について説明する。
但し、複数のクラスター３０は同じ構造のものであるため、１つのクラスター３０について説明する。図２，図６〜図１０に示すように、クラスター３０は、円環状に形成されたものであって、第１基板２１上に形成された導電被膜３１と、１０個の太陽電池セル３２と、バイパスダイオード４０と、導電接続部材５０の導電接続片５３と、これら太陽電池セル３２とバイパスダイオード４０と導電接続片５３とを電気的に接続する導電部材４８とから構成されている。
次に、導電被膜３１について説明する。
導電被膜３１は、第１基板２１の内面に円環状に形成され、１０個の太陽電池セル３２の正電極３７と、バイパスダイオード４０の負電極４５と、導電接続片５３とが等間隔に配置され導電性ペースト３１ｂを介して接続されている。バイパスダイオード４０と導電接続片５３は、お互い対向するように１０個の太陽電池セル３２間に配置され、導電接続片５３が接続される分離導電被膜部３１ａは、２本のスリットにより電気的に切り離されている。この分離導電被膜部３１ａは、導電接続部材５０の導電被膜延長部５１と一体的に形成されている。尚、導電被膜３１により採光が遮断されない採光領域の全体の面積に占める比率が５０％以上である。
この導電被膜３１は、先ず、導電被膜３１の下地として第１基板２１上に好みの色の顔料を混合したセラミックペーストをシルクスクリーン印刷して焼成し、セラミック膜２９を形成する。次いで、セラミック膜２９上にガラスフリットを含む銀ペーストをシルクスクリーン法で印刷し、５５０〜６２０℃の温度で焼成して導電被膜３１が形成される。この導電被膜３１の幅は２．４ｍｍ程度で太陽電池セル３２の直径よりも大きい。厚さは０．２５ｍｍ程度で使用状況に応じて厚さは０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲で形成されても良い。尚、導電被膜３１と同時に後述する導電接続部材５０の導電被膜延長部５１，５１ａ，５１ｂと、架橋導電被膜５５も同様に形成される。
次に、球状太陽電池セル３２の構造について説明する。
図１０に示すように、太陽電池セル３２は、導電方向を第１基板３１と直交方向に揃えられたものであって、ｐ形の球状半導体３３と、この球状半導体３３の表面の一部を研磨加工された平坦面３４と、この球状半導体３３の表層部にｎ形拡散層３５を形成することで形成された球面状のｐｎ接合３６と、球状半導体３３の中心を挟んで対向するように形成されてｐｎ接合３６の両端に接合された１対の正、負電極３７，３８（第１，第２電極）と、正，負電極３７，３８を除く部分に成膜された反射防止膜３９とを有する。この正電極３７が導電被膜３１上に導電性ペースト３１ｂを介して接続され、負電極３８が導電部材４８に導電性ペースト４８ａを介して接続されている。
この太陽電池セル３２の製造方法について簡単に説明する。
この太陽電池セル３２は、例えば、シリコンの液滴を自由落下し途中で凝固させる手法によって直径が約１．６ｍｍの球状のｐ形シリコン単結晶３３を作り、その後、表面の一部を研磨加工して平坦面３４を設ける。この平坦面３４とその周囲の一部を除いてｎ形不純物を表面から０．１μm程度の深さまで拡散しｎ形拡散層３５を形成することで球面状のｐｎ接合３６を形成する。尚、球状のｎ形シリコン単結晶にｐ形の拡散層を形成することでｐｎ接合を形成しても良い。
さらに、平坦面３４を含む球面全体にシリコン酸化膜（ＳｉＯ ２ ）（必要に応じてシリコン窒化膜（ＳｉＮ））を成膜して反射防止膜３９とした後、次に、平坦面３４と球面の頂部にある反射防止膜３９に銀を含むペーストをドット状にプリントする。これをガス雰囲気内で８００℃程度まで加熱し銀ペーストを反射防止膜３９を貫通させてそれぞれｐ形の平坦面３４、ｎ形拡散層３５の表面と低抵抗接触する正電極３７と負電極３８を設け、太陽電池セル３２を完成させる。
この太陽電池セル３２によると、図１０に示すように、球面のｐｎ接合３６を有するため、平坦面３４と電極３７，３８を除き太陽光の直射角度によらず常に一定の受光断面積が得られ安定した出力が得られる。さらに、電極３７，３８が球の中心を挟んでｐ形、ｎ形表面の中央に設けられているため、電極３７，３８からｐｎ接合３６上の任意のａ，ｂ，ｃ点とを結ぶ距離の和は等しく、ａ，ｂ，ｃ点で吸収し発生したキャリアの移動距離は等しく、流れる電流分布はほぼ均一となり曲線因子（ＣｕｒｖｅＦｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）が大きくなる。また、受光範囲が３次元的であり直射光以外の反射光、拡散光をも同時に受光するため周囲の光の利用度も高く高出力が得られる。
次に、バイパスダイオード４０について説明する。
図８に示すように、バイパスダイオード４０は、その導電方向を第１基板２１に対して直交方向になるように第１基板２１上に固定され、１０個の太陽電池セル３２に導電被膜３１と導電部材４８を介して逆並列接続されている。このバイパスダイオード４０は、太陽電池セル３２と同様の直径と高さを有する円柱状のものであって、ｎ形半導体４１にｐ形不純物を拡散しｐ形拡散層４２を形成することでｐｎ接合４３を形成し、ｎ形半導体４１の表面に負電極４５を、ｐ形拡散層４２の表面に正電極４６を夫々低抵抗接触させて設けたものである。
このバイパスダイオード４０により、逆並列接続した同じクラスター３０内の１０個の太陽電池セル３２が日陰などにより遮光され機能が停止した場合に、この機能停止したクラスター３０内の太陽電池セル３２に他の正常に機能（発電）しているクラスター３０内の太陽電池セル３２が起因となって逆方向に電圧が印加されても、このバイパスダイオード４０が電流をバイパスすることで、逆並列接続した太陽電池セル３２の破壊や損傷から保護することができ、クラスター３０の部分遮光によるモジュール２０全体の出力減少を最低限に留めることができる。
次に、導電部材４８について説明する。
図７〜図９に示すように、導電部材４８は、銀メッキした銅合金から、例えば直径０．３ｍｍの円環状に形成された金属線であって、導電性ペースト４８ａを介して１０個の太陽電池セル３２の負電極３８とバイパスダイオード４０の正電極４６と導電接続片５３とを接続している。この導電部材４８と導電被膜３１により、１０個の太陽電池セル３２と導電接続片５３が電気的に並列接続され、太陽電池セル３２に対してバイパスダイオード４０が電気的に逆並列接続され、１つの円環状のクラスター３０が構成される。
次に、複数のクラスター３０同士を電気的に接続する導電構造について説明する。
図６，図７に示すように、複数のクラスター３０は、複数行複数列に配設され、各列の複数のクラスター３０の各々における導電被膜３１は、図６，図７において下方に隣接するクラスター３０の導電部材４８に導電接続部材５０を介して直列接続され、各行の複数のクラスター３０における複数の導電被膜３１は架橋導電被膜５５により並列接続されている。つまり、複数のクラスター３０のうち各列のクラスター３０の複数群の太陽電池セル３２は、導電接続部材５０を介して直列接続され、各行のクラスター３０の複数群の太陽電池セル３２は、架橋導電被膜５５を介して並列接続されている。
導電接続部材５０は、導電被膜３１に連続する直線状の導電被膜延長部５１と、この導電被膜延長部５１に接続され且つクラスター３０の一部を構成する導電接続片５３とを有している。この導電被膜延長部５１は、導電被膜３１と同様に銀ペーストから形成されている。導電接続片５３は、円柱状の金属片であってバイパスダイオード４０と同様の直径と高さを有する。尚、導電被膜延長部５１は必ずしも直線状である必要はなく、意匠に応じてジグザグ状や曲線状のものであっても良い。
各行の複数の導電被膜３１を電気的に接続する架橋導電被膜５５が設けられている。この架橋導電被膜５５は、導電被膜３１と同様に銀ペーストから形成される。尚、架橋導電被膜５５は必ずしも直線状である必要はなく、ジグザグ状や曲線状のものであっても良い。各列の最も下側のクラスター３０の導電被膜３１は、導電被膜延長部５１ａを介して正極端子２３に接続され、最も上側のクラスター３０の導電被膜３１の分離導電被膜部３１ａは導電被膜延長部５１ｂを介して負極端子２４に接続されている。
このように、複数のクラスター３０が、直列・並列接続されているので、一部のクラスター３０が機能停止した場合などにおいても、それら機能を停止したクラスター３０を迂回するように他のクラスターを通って電流が流れるため、その他の正常なクラスター３０の発電機能が停止したり低下したりすることがなく、このモジュール２０全体の出力低下に及ぼす影響を最低限に留めることができる。
次に、このモジュール２０の等価回路図について説明する。
図１１は、このモジュール２０において、複数行複数列のマトリックス状に配設された複数のクラスター３０を有する場合の等価回路を示すものである。
ここで、例えば、３行４列に配設された複数クラスター３０が組み込まれたモジュールの出力について説明する。１個の太陽電池セル３２の開放電圧が例えば０．６Ｖである場合、正極端子２３と負極端子２４の間に４個のクラスター３０が直列接続されているので、２．４Ｖの電圧が発生する。そして各行の各クラスター３０の１個の太陽電池セル３２により発生する電流をＩとすると、３個のクラスター３０が並列接続されているので、正極端子２３から３０Ｉの電流が流出する。
つまり、３枚のモジュール２０が組み付けられている太陽電池パネル１においては、７．２Ｖの電圧が発生し、出力端子９ｂから３０Ｉの電流が流出する。尚、モジュール２０の出力電圧を上げるには、クラスター３０の直列接続数を増やし、モジュール２０からの出力電流を上げる場合は、クラスター３０の並列接続数を増やすことで実現できる。パネル１においても同様で、出力電圧を上げるには、モジュール２０の直列接続数を増やし、モジュール２０からの出力電流を上げる場合も、モジュール２０の並列接続数を増やすことで実現できる。
次に、このモジュール２０に入射する光の挙動について説明する。
図１２は、このモジュール２０に入射する光の挙動を示す為に、一部を拡大図示したものである。入射光ａは、第２基板２２から第１基板２１へ素通りする光であり、入射光ｂは、第２基板２２から太陽電池セル３２に直接入射する光であり、入射光ｂ’は、入射光ｂが第２基板２２で反射した反射光である。
入射光ｃは、第２基板２２から入射され太陽電池セル３２周辺の導電被膜３１で反射して太陽電池セル３２に入射する光であり、入射光ｄは、太陽電池セル３２周辺以外で多重反射して太陽電池セル３２に入射する光であり、入射光ｅは、第１基板２１から第２基板２２へ素通りする光であり、入射光ｆは、第１基板２１から入射し第２基板２２で反射し太陽電池セル３２に入射する光であり、入射光ｆ’は、入射光ｆが第１基板２１で反射した反射光である。つまり、室内への採光の為の基板２１，２２を素通りする光を除いて、基板２１，２２に垂直に入射する光は勿論、その他種々の方向から入射される光も太陽電池セル３２の方へ導入されやすくなっており、入射光の利用効率を高めることができる。
このように、これら複数の太陽電池セル３２は、直接入射される入射光以外に、基板２１，２２間の反射及び散乱によってもたらされる多方向から入射する光も吸収可能である。特に、銀を利用した導電被膜３１は、電気伝導率と光反射率は高くなるため、配線による電気抵抗損失を少なくしながら内部反射により太陽電池セル３２に到達する光の量を増やし、光起電力を高める効果がある。このクラスター３０における太陽電池セル３２が円の中心から放射状に等間隔に配置されているため、モジュール２０の受光面の垂直軸の回転方向及び入射角に対する出力の方向依存性が少なくすることができる。
次に、この採光型太陽電池モジュール２０の効果について説明する。
このモジュール２０によれば、複数の太陽電池セル３２が吸収した光は発電に、複数の太陽電池セル３２間を透過した光は室内への採光とすることができる。モジュール２０としての発電量と採光量の比率は、第１基板２１に対する組み込んだ太陽電池セル３２全体の投影面積に対して依存する。つまり、強い陽射しを和らげる場合には、太陽電池セル３２の配置密度によって太陽電池セル３２全体の投影面積を増やし、発電量をふやすことができる。
このモジュール２０によれば、複数のクラスター３０を配置するパターンを自由に設定することができるため、複数のクラスター３０でもって意匠性の高い種々の模様を構成することができる。しかも、上記導電被膜３１の下地として第１基板２１の表面に好みの色の顔料を加えたセラミックペーストをシルクスクリーン印刷して焼成し、セラミック膜２９を形成することにより基板２１の下面（室内側）からみてカラフルな美しい模様を形成することも可能である。また、セラミック膜２９により太陽電池セル３２や導電被膜３１を見えにくくすることができる。このため、光発電機能以外に建材としての意匠性の高いモジュールを実現することができる。さらに、セラミック膜２９を形成することで、導電皮膜３１との密着性を向上すると共にガラス基板２１の強度を向上することができる。
このモジュール２０によれば、複数行複数列のマトリックス状に配設された円環状のクラスター３０が幾何学的な図柄を表現すると共に太陽光発電と採光を調和させた窓材として利用でき、円環状のクラスター３０の内径と外径、及びこれらクラスター３０の間隔は、意匠性、光透過率、発電出力を考慮した設計を可能とする。
このモジュール２０によれば、導電被膜３１と導電接続部材５０と架橋導電被膜５５による配線は、第１基板２１の垂直方向から見て太陽電池セル３２が隠れる程度の幅を持たせ、この配線の図柄あるいは絵柄が強調できるようにし、モジュール２０の裏側から見た意匠性を高めるようにすると共に、表面から入射した光を反射させて太陽電池セル３２の受光量を増やして出力を高めることができる。
このモジュール２０によれば、複数の太陽電池セル３２と、複数の導電被膜３１のサイズは、従来の平板型太陽電池セルや薄膜太陽電池セルと比較すると、小さくかつ細かく分散して配置できるため、それ自体が大きな視野の妨げにならず均一な採光性と違和感のない内外の景観が見られるシースルー型の太陽電池モジュールとして利用できる。
このモジュール２０によれば、光透過性の基板２１，２２の間に複数の太陽電池セル３２を埋め込み、このモジュール２０を窓材として使用することで、独立した太陽電池パネルを用いて発電する場合と比較して、ガラスなどの部材費用や設置にかかる諸費用を低減できる。また、第１基板２１上に、複数の球状太陽電池セル３２や複数の導電被膜３１の部材を形成し、その上に第２基板２２を積載するので、第２基板２２には部品を形成する必要がなく組立が容易になる。
この実施例２は、前記実施例１の複数のクラスター３０における複数の球状太陽電池セルの配置パターンを変更した採光型太陽電池モジュール２０Ａの例を示すものであり、前記実施例１と異なる構成についてのみ説明する。
図１３〜図１８に示すように、クラスター３０Ａは、雪の結晶のように形成されたものであって、第１基板２１上に形成された導電被膜３１Ａと、１１個の太陽電池セル３２Ａと、バイパスダイオード４０Ａと、導線接続部材５０Ａの導電接続片５３Ａと、これら太陽電池セル３２Ａとバイパスダイオード４０Ａと導電接続片５３Ａとを電気的に接続する導電部材４８Ａから構成されている。尚、このクラスター３０Ａを形成する雪の結晶状とは、内側六角形と、内側六角形の外側に同心状に配置された外側六角形とを有し、クラスターの中心と内側六角形の６頂点と外側六角形の６頂点とを６本の放射状直線で夫々結んだパターン状のものである。
導電被膜３１Ａは、第１基板２１上に、中心点と内側六角形の各頂点と外側六角形の各頂点に形成された１２個のドット状導電被膜６１と、各ドット状導電被膜６１をクラスター３０Ａの中心から外側に向けて結ぶ線状導電被膜６２とから構成されている。このドット状導電被膜６１は、太陽電池セル３２の直径より大径に形成されている。線状導電被膜６２のうち、導電接続片５３Ａが配設されるドット状導電被膜６１とこの中心方向に隣接する太陽電池セル３２Ａが接続されるドット状導電被膜６１との間の線状導電被膜６２は省略される。この切り離されたドット状導電被膜６１は、導電被膜延長部５１Ａの一端部と一体的に形成されている。
クラスター３０Ａの複数の太陽電池セル３２Ａは、内側六角形の頂点のドット状導電被膜６１に配置された６個の太陽電池セル３２Ａと、内側六角形の外側の外側六角形の頂点のドット状導電被膜６１に配置された５個の太陽電池セル３２Ａとを有している。バイパスダイオード４０Ａは内側六角形の中心部のドット状導電被膜６１に配設されている。つまり、１１個の太陽電池セル３２Ａが並列接続され、これら太陽電池セル３２Ａに対してバイパスダイオード４０Ａが逆並列接続されている。導電部材４８Ａは、導電被膜３１Ａに対応するように雪の結晶状に形成され、この導電部材４８Ａを介して太陽電池セル３２Ａの負電極３８とバイパスダイオード４０Ａの正電極４６と導電接続片５３Ａとが電気的に接続されている。
次に、複数のクラスター３０Ａ同士を電気的に接続する導電構造について説明する。
図１３，図１４に示すように、複数のクラスター３０Ａは、正三角形メッシュのメッシュ点に内側六角形の中心部を位置させるように複数行複数列に配置され、各列の複数のクラスター３０Ａの各々における導電被膜３１Ａは、図１３，図１４において下方に隣接するクラスター３０Ａの導電部材４８Ａに導電接続部材５０Ａを介して直列接続され、架橋導電被膜５５Ａにより列方向と直交する方向にジグザグ状に並ぶ複数のクラスター３０Ａにおける複数の導電被膜３１Ａが電気的に並列接続されている。導電接続部材５０Ａは導電被膜３１Ａに連続する導電被膜延長部５１Ａと、この導電被膜延長部５１Ａの一端部に接続された導電接続片５３Ａとを有し、導電接続片５３Ａは外側六角形の頂点に配置されている。導電接続片５３Ａは、金属製の球状に形成されている。
次に、このモジュール２０Ａの効果について説明する。
このモジュール２０Ａによれば、１１個の太陽電池セル３２Ａがクラスター３０Ａの中心から６０°の間隔をあけて放射状に配設されているために、モジュール２０Ａに入射されてくる入射光に対する出力の方向依存性が前記実施例１と比較して少なくなる。
行方向のクラスター３０Ａをジグザグ状に配設している為に、直線状な日陰によって同一の並列接続された全ての太陽電池セル３２Ａが機能停止状態になる事態を減らすことができるので、バイパスダイオード４０Ａの代わりに太陽電池セル３２Ａを設け、モジュール２０Ａの出力を高めることができる。このモジュール２０Ａの表面または裏面からは導電被膜３１Ａと導電部材４８Ａにより雪の結晶状のような意匠性のあるパターンが見られ、太陽光を含む外来光を効率よく吸収し発電する太陽電池パネル１として利用できる。尚、その他の効果は、前記実施例１と同様であるので説明は省略する。
この実施例３は、前記実施例１の複数のクラスター３０における複数の球状太陽電池セルの配置を変更した採光型太陽電池モジュール２０Ｂの例を示すものであり、前記実施例１と異なる構成についてのみ説明する。
図１９〜図２５に示すように、このクラスター３０Ｂは、横方向に１直線状に形成されたものであって、第１基板２１の内面に形成された導電被膜３１Ｂと、複数の球状太陽電池セル３２Ｂと、バイパスダイオード４０Ｂと、導電接続部材５０Ｂの導電接続片５３Ｂと、これら太陽電池セル３２Ｂとバイパスダイオード４０Ｂと導電接続片５３Ｂとを電気的に接続する導電部材４８Ｂから構成されている。
導電被膜３１Ｂは、１直線状のものであって、複数の太陽電池セル３２Ａに対応する複数の円形導電被膜６４と、これら円形導電被膜６４の両側に設けられた２つの角形導電被膜６５と、導電接続片５３Ｂが接続される角形導電被膜６５とそれと隣接する円形導電被膜６４との間を除いて角形導電被膜６５と円形導電被膜６４及び円形導電被膜６４同士を接続する線状導電被膜６６とを有している。この導電被膜３１Ｂは、縦方向に一定の間隔おきに複数本平行に第１基板２１上に形成されている。尚、第２基板２２Ｂの内面側の周辺部分２２ａは、サンドブラスト加工により粗面にしたすりガラス状に形成され、モジュール２０Ｂの表面から正極端子２３及び負極端子２４、バイパスダイオード４０Ｂや導電接続片５３Ｂが見えにくい状態にされている。
各クラスター３０Ｂの複数の太陽電池セル３２Ｂは、円形導電被膜６４上に１直線状に配設されて太陽電池セル３２Ｂの正電極３７が接続され、角形導電被膜６５のうち円形導電被膜６４から電気的に切り離されている一方に、導電接続片５３Ｂが配設され、他方に太陽電池セル３２Ｂとは逆並列接続になるようにバイパスダイオード４０Ｂが接続されている。導電部材４８Ｂは１直線状に形成され、この導電部材４８Ｂを介して太陽電池セル３２Ｂとバイパスダイオード４０Ｂと導電接続片５３Ｂとが電気的に接続されている。
次に、複数のクラスター３０Ｂ同士を電気的に接続する導電構造について説明する。
この複数のクラスター３０Ｂは、導電接続部材５０Ｂを介して上側から下側に向けて直列接続されている。最上段のクラスター３０Ｂの右側の角形導電被膜６５は導電被膜延長部５１ｂＢを介して負極端子２４に接続され、最下段のクラスター３０Ｂの右側の角形導電被膜６５は導電被膜延長部５１ａＢを介して正極端子２３に接続されている。
次に、このモジュール２０Ｂの効果について説明する。
このモジュール２０Ｂは、光が透過できるように太陽電池セル３２Ｂを固着した１直線状の導電被膜３１Ｂを間隔を設けて形成し、この導電被膜部分３１Ｂを除いた透過部分の面積によって窓材としての採光率を決めることができる。表面または裏面から導電被膜３１Ｂと導電部材４８Ｂにより意匠性のあるパターンが見られ、且つ太陽光を含む外来光を効率よく吸収し発電する太陽電池パネル１として利用できる。尚、その他の効果は、前記実施例１と同様であるので説明を省略する。
この実施例４は、前記実施例１〜３の球状太陽電池セル３２，３２Ａ，３２Ｂの代わりに本実施例の太陽電池セル３２Ｃを採用してもよい。また、この場合、前記バイパスダイオードを太陽電池セル３２と置き替えることができる。図２６〜図２８に示すように、この太陽電池セル３２Ｃは、球状のｐ形シリコン単結晶７１と、シリコン単結晶７１の一端部に形成された平坦面７２と、この平坦面７２を除いてシリコン単結晶７１の表面部に形成されたｎ＋拡散層７３と、シリコン単結晶７１の中心を挟んで対向する正電極７５，負電極７６と、シリコン単結晶７１の平坦面７２の外面部に正電極７５に臨むように形成されたｐ＋拡散層７７と、太陽電池セル３２Ｃの表面のうちの正電極７５及び負電極７６以外の部分を覆う反射防止膜７８とを備えている。
シリコン単結晶７１の表面部には、光起電力を発生可能なｐｎ接合として機能するｐｎ＋７４接合が形成されており、このｐｎ＋接合７４は、平坦面７２を除く、シリコン単結晶７１の表面から一定の深さ位置に実質的に球面状に形成されている。ｐｎ＋接合７４の両端には、スポット状の１対の電極７５，７６が接続されている。正電極７５の外周近傍部のうちの正電極７５よりもシリコン単結晶側７１部分には、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ＋ｎ＋接合７９が環状に形成されている。つまり、この太陽電池セル３２Ｃの等価回路は、図２８のようになる。
このモジュールによると、並列接続された複数行のうちの１行のクラスターの一部又は全部の太陽電池セル３２Ｃが影に入って、太陽電池セル３２Ｃに逆電圧が印加されても、その行の太陽電池セル３２Ｃのｐ＋ｎ＋接合７９を通ってバイパス電流が流れる（図２８参照）。従って、複数のクラスターをメッシュ状の直列並列回路により電気的に接続してなるモジュールにおいて、どのようなパターンの影が発生しても、発電電力をロスなく、取り出すことが可能になり、個々の太陽電池セルに悪影響が生ずることもない。また、バイパスダイオードを必要としないので、太陽電池セル数も増え、モジュールの出力を高めることができる。
次に、前記実施例を部分的に変更した種々の変更形態について説明する。
［１］このモジュールの出力電力と採光率（あるいは遮光率）の割合は、主として使用する複数の太陽電池セルの出力電力及びその使用数と、光透過性の第1基板上に設けた複数の導電被膜による遮光総面積に依存するので、窓材としての意匠性を高め付加価値を上げるため、複数の太陽電池セルの配置や使用数は、第1基板上の導電被膜の図柄あるいは絵柄に対応して種々設計することができる。
［２］このモジュールは、この採光型太陽電池パネル以外にも、利用が期待される窓材を含む建材、例えば、ガラス窓、アトリウム、トップライト、カーテンウォール、ファサード、キャノピー、ルーバー、ダブル・スキンの外面、バルコニーの手摺、高速道路や鉄道の防音壁などに適用することができる。
採光型太陽電池モジュールにおいて、複数の球状の太陽電池セルを含んだクラスターを複数配設し、各クラスターを円環状や雪の結晶状または１直線状に構成し、複数のクラスター配設することで、採光率と発電能力の比率選択性の許容幅を向上させることができ、窓材としての意匠性を高め得ることができる。

Claims (16)

  1. 複数の球状の太陽電池セルにより発電する採光型太陽電池モジュールにおいて、
    光透過性の第１基板と、
    導電方向を第１基板と直交方向に揃え且つ複数クラスターにグループ化された複数の球状の太陽電池セルと、
    前記第１基板の内面に複数クラスターに対応させて形成され、各クラスターの複数の太陽電池セルの第１電極が電気的に並列接続された複数の導電被膜と、
    前記複数クラスターの各々における複数の太陽電池セルの第２電極が電気的に並列接続された複数の導電部材と、
    前記複数クラスターの各々における導電被膜を、所定方向に隣接するクラスターの導電部材に電気的に接続する複数の導電接続部材と、
    前記第１基板に対して複数の太陽電池セルを挟んで平行に配置された光透過性の第２基板と、
    前記第１，第２基板との間に充填されて複数の太陽電池セルと複数の導電部材と複数の導電接続部材を埋め込んだ状態にモールドする光透過性の合成樹脂モールド材と、
    を備えたことを特徴とする採光型太陽電池モジュール。
  2. 前記第１基板の一端部に前記採光型太陽電池モジュールの正極端子を設け、第１基板の他端部に前記採光型太陽電池モジュールの負極端子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の採光型太陽電池モジュール。
  3. 前記太陽電池セルは、ｐ形又はｎ形の球状半導体と、この球状半導体の表層部に形成された球面状のｐｎ接合と、球状半導体の中心を挟んで対向するように形成されて前記ｐｎ接合の両端に接合された１対の電極とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の採光型太陽電池モジュール。
  4. 前記複数クラスターに対応する複数のバイパスダイオードであって、前記複数の導電被膜及び導電部材を介して並列接続された複数のバイパスダイオードを備えたことを特徴とする請求項３に記載の採光型太陽電池モジュール。
  5. 前記太陽電池セルは、逆電流をバイパスするバイパス機能を有することを特徴とする請求項３に記載の採光型太陽電池モジュール。
  6. 前記導電接続部材は、導電被膜に連続する導電被膜延長部とこの導電被膜延長部の端部に接続された導電接続片とを有し、
    前記各クラスターにおける複数の太陽電池セルと前記導電接続片と前記バイパスダイオードは円環状に配設され、複数のクラスターが複数行複数列のマトリックス状に配設されたことを特徴とする請求項４に記載の採光型太陽電池モジュール。
  7. 前記各行又は各列のクラスターの複数の太陽電池セルは、前記導電接続部材を介して直列接続され、前記複数列又は複数行のクラスターの各々における複数の導電被膜を電気的に接続する架橋導電被膜を設けたことを特徴とする請求項６に記載の採光型太陽電池モジュール。
  8. 前記各クラスターの複数の太陽電池セルは、内側六角形の頂点に配置された６個の太陽電池セル、前記内側六角形の外側の外側六角形の頂点に配置された５個の太陽電池セルとを有することを特徴とする請求項３に記載の採光型太陽電池モジュール。
  9. 前記導電接続部材は導電被膜に連続する導電被膜延長部と、この導電被膜延長部の端部に接続された導電接続片とを有し、前記導電接続片は前記外側六角形の頂点に配置され、
    前記バイパスダイオードは前記内側六角形の中心部に配設されたことを特徴とする請求項８に記載の採光型太陽電池モジュール。
  10. 前記複数のクラスターは、正三角形メッシュのメッシュ点に前記内側六角形の中心部を位置させるように複数行又は複数列に配置されたことを特徴とする請求項８に記載の採光型太陽電池モジュール。
  11. 前記複数行又は複数列における行又は列方向と直交する方向にジグザグ状に並ぶ複数のクラスターにおける前記複数の導電被膜を電気的に接続する架橋導電被膜を設けたことを特徴とする請求項１０に記載の採光型太陽電池モジュール。
  12. 前記各クラスターの複数の太陽電池セルは１直線状に配設されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の採光型太陽電池モジュール。
  13. 前記第１，第２基板は、透明なガラス板で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の採光型太陽電池モジュール。
  14. 前記導電被膜により採光が遮断されない採光領域の全体の面積に占める比率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の採光型太陽電池モジュール。
  15. 複数枚の前記採光型太陽電池モジュールを金属製の外周フレームに組み付けることで複数行又は複数列に配設したことを特徴とする請求項１に記載の採光型太陽電池モジュール。
  16. 前記複数の導電被膜の下地に着色及びパターン化した図柄のセラミック膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の採光型太陽電池モジュール。
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