KR20030071867A

KR20030071867A - 태양전지 모듈 및 태양전지 모듈의 설치방법

Info

Publication number: KR20030071867A
Application number: KR10-2003-7009946A
Authority: KR
Inventors: 오지마사토유키; 오츠카히로유키; 다카하시마사토시; 와타베다케노리; 아베다카오
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤; 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2003-09-06
Also published as: JP2002305314A; US6963024B2; CN1258232C; JP3872306B2; WO2002061848A1; EP1367652A1; US20040060590A1; CN1489791A

Abstract

태양전지 모듈(60)은, 각각 수광면상에 복수의 평행한 홈(8)이 형성되고, 각 홈의 폭방향 편측에서의 내측면(전극형성 내측면)에 출력 취출용의 전극(5)이 설치된 구조를 갖는 복수의 태양전지(14)와, 그들 태양전지(14)를 수광면이 위로 되도록 일체적으로 지지하는 지지체(10, 50)를 갖는다. 홈(8)의, 전극형성 내측면의 배치 방향을, 설치시에 각 태양전지(14)의 수광면의 수평면에 대한 경사각(β)과, 태양전지 모듈의 설치장소의 위도(δ)에 따라서 조정하면, 연간 발전량을 증대시킬 수 있다. 이것에 의해, 햇빛이 경사 방향으로부터 입사된 때에도, 모듈내의 각 태양전지의 출력 전류를 균등화 할 수 있는 태양전지를 제공한다.

Description

태양전지 모듈 및 태양전지 모듈의 설치방법{SOLAR CELL MODULE AND ITS INSTALLING METHOD}

태양전지가 발전한 전력을 외부로 취출하기 위해서, 통상, 태양전지의 표면에는 핑거 형상의 전극이 제작된다. 이 전극의 단면적이 클 수록 그 저항값이 감소하기 때문에, 발전 효율 개선의 면에서 전극폭이나 두께가 큰 것이 바람직하다. 그러나, 한편으로는 전극은, 태양전지를 구성하는 반도체재료 내부에 태양광이 도입되는 것을 방해하기 때문에, 발전 효율 저하의 원인이 된다. 전극의 제작에는 Ag 페이스트의 스크린 인쇄 등이 사용되고 있는데, 태양전지 수광면에서 전극이 차지하는 면적의 비율은 8∼12%가 되어버려, 이것에 의한 섀도잉 로스가 발전 효율 개선의 점에서 장해가 되고 있다.

그래서, 섀도잉 로스 감소에 의한 발전효율 개선을 목적으로 하고, 태양전지 수광면에 평행한 직사각형, 반원, 삼각단면 형상 홈을 복수 형성하고, 홈 측면의 폭방향의 편측 내측면에만 전극을 형성한 OECO(0blique1y Evaporated Contact) 태양전지가 개발되어 있다(예를 들면, Renewable Energy, Vol. 14, Nos. 1-4, 83-88(1998) 또는 유럽특허 EP0905794 A2).

이와 같이, OECO 태양전지는, 에너지 변환 효율의 점에서 상당히 큰 이점을 가지고 있는데, 본 발명자가 검토한 결과, OECO 태양전지를 모듈화 할때는, 전극이 홈 내측면에 형성되어 있다는 특수한 사정에 기인하여, 종래의 태양전지에서는 생길 수 없었던 다양한 새로운 해결 과제가 발생하는 것을 알았다.

OECO 태양전지에서는 홈의 한 쪽의 내측면에 밖에 전극을 형성하고 있지 않기 때문에, 태양광의 입사각에 의해 섀도잉 면적이 변화되고, 태양전지의 광생성 전류가 변화되는 것이 불가피하다. 이 것을 도시한 것이 도 2이다. 도 2에서는, 입사각이 α인 경우, 섀도잉 면적의 비율은 B/(A+B+C)로 되는데, 입사각이 α'인 경우, B'/(A'+B'+C')로 된다. 이와 같이, OECO 태양전지에서는, 입사각이 얕아 질 수록 전극에 의한 섀도잉 로스의 비율이 커진다.

여기에서, 태양전지 모듈의 발전 효율을 최대로 하기 위해서는, 모듈내의 태양전지마다의 출력 전류를 동일하게 하는 것이 요구된다. 그 것을 위해서는, 태양전지마다의 변환 효율을 일정하게 하는 것이 중요하다. 그러나, OECO 태양전지 모듈에서는, 기본성능이 갖추어진 태양전지를 사용하여, 그것들에 균등하게 광을 쪼였다고 해도, 태양전지마다의 출력 전류가 반드시 동일하게 된다고는 할 수 없다. 왜냐하면, 태양광이 경사 방향으로부터 입사되었을 때, 모듈내의 태양전지의 부착 방향을 고려하지 않으면, 태양전지마다에 생기는 섀도잉 로스의 정도가 달라지고 마는, 출력 전류의 불균일화가 생겨버리기 때문이다.

또, 태양전지 모듈은 통상, 가옥의 지붕 등에 설치되는데, OECO 태양전지는 홈의 한쪽의 측면밖에 전극이 없어, 입사방향에 의해 섀도잉 로스가 변화되기 때문에, 이 전극면을 어느 방향을 향하는지에 의해, 1일 또는 1년에 걸쳐서 얻어지는 전력의 총합이 다르고, 경우에 따라서는 태양전지 모듈의 성능을 충분히 끌어 낼 수 없는 일도 있을 수 있다.

본 발명의 과제는, 태양광이 경사 방향으로부터 입사되었을 때에도, 모듈내의 각 태양전지의 출력 전류를 균등화 할 수 있는 태양전지와, 그 태양전지 모듈의 효과적인 설치방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 태양전지 모듈 및 그 설치방법에 관한 것이다.

도 1은, OECO 태양전지의 단면구조의 1예를 도시하는 모식도,

도 2는, OECO 태양전지에 형성된 홈, 및 전극과 태양광과의 관계를 도시하는 설명도,

도 3은, 본 발명에서의, 태양전지 모듈내에서의 태양전지 배열 방법을 도시한 사시도,

도 4는, 본 발명에서의 태양전지 모듈의 설치방법을 도시한 도면,

도 5는, 전극형성 내측면을 상향으로 하여 태양전지 모듈을 설치하는 예를 도시하는 도면,

도 6은, 전극형성 내측면 방향을 하향으로 하여 태양전지 모듈을 설치하는 예를 도시하는 도면,

도 7은, 남향의 지붕에 태양전지 모듈을 설치하는 예를 도시하는 모식도,

도 8은, 태양전지 모듈의 1실시형태를 도시하는 분해 사시도,

도 9는, 식 (1) 및 식 (2)의 도출과정의 개략을 도시하는 플로차트,

도 10은, 태양전지 모듈 설치장소의 위도와 분기점 각도와 전극형성 내측면 방향과의 관계를 도시한 도면,

도 11은, 북위 30도에 태양전지 모듈을 설치각 25도로 설치한 경우의 섀도잉 로스의 시간변화를 도시하는 도면,

도 12는, 북위 30도에 태양전지 모듈을 설치각 30도로 설치한 경우의 섀도잉 로스의 시간변화를 도시하는 도면,

도 13은, 북위 30도에 태양전지 모듈을 설치각 35도로 설치한 경우의 섀도잉 로스의 시간변화를 도시하는 도면,

도 14는, 북위 50도에 태양전지 모듈을 설치각 45도로 설치한 경우의 섀도잉 로스의 시간변화를 도시하는 도면,

도 15는, 북위 50도에 태양전지 모듈을 설치각 50도로 설치한 경우의 섀도잉 로스의 시간변화를 도시하는 도면,

도 16은, 북위 50도에 태양전지 모듈을 설치각 55도로 설치했을 경우의 섀도잉 로스의 시간변화를 도시하는 도면,

도 17은, 북위 30도에 태양전지 모듈을 설치했을 경우의 설치각과 평균 유효 수광량과의 관계를 도시하는 도면,

도 18은, 북위 50도에 태양전지 모듈을 설치했을 경우의 설치각과 평균 유효 수광량과의 관계를 도시하는 도면,

도 19는, 태양전지 표면에 형성되는 홈의 치수를 도시한 단면모식도,

도 20은, 지붕의 방향에 의해 홈의 배치 방향을 변경하는 예를 도시하는 설명도,

도 21은, 태양전지 셀 유닛의 방향을 개별적으로 변경 가능하게 하는 태양전지 모듈의 구조예를 도시하는 단면도,

도 22는, 수광면의 경사각도를 변경 가능하게 한 태양전지 셀 유닛의 1예를 도시하는 단면모식도,

도 23은, 천구에 대한 좌표계의 정의를 도시하는 도면,

도 24는, 태양전지 모듈 및 태양전지의 홈의 길이 방향과, 수평면과의 위치 관계, 및 설치각과의 관계를 도시하는 사시도,

도 25는, 각종 설치 방위각(Ψ)과 위도(δ) 및 분기점 각도(β)와의 관계를 도시하는 그래프이다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 태양전지 모듈은, 각각 수광면상에 복수의 평행한 홈이 형성되고, 각 홈의 폭방향 편측에서의 내측면(이하, 전극형성 내측면이라 함)에 출력 취출용의 전극이 설치된 구조를 갖는 복수의 태양전지와, 그들 태양전지를 수광면이 위로 되도록 일체적으로 지지하는 지지체를 구비하고,

복수의 태양전지가 지지체에 대하여, 홈의 길이 방향이 서로 대략 일치하고, 또한, 전극형성 내측면이 동일측에 위치하는 형상으로 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 태양전지 모듈에 사용하는 상기 구조의 태양전지는, 상술의 OECO 태양전지에 상당하는 것이다. 그리고, 지지체상에 부착하는 복수의 태양전지의 홈의 길이 방향을 서로 대략 일치시키고, 또한, 전극형성 내측면을 동일측에 위치시킴으로써 태양광선이 비스듬히 입사되었을 때, 개개의 태양전지의 전극형성 내측면에는 동일 각도로 태양광선이 입사된다. 그 결과, 각 태양전지에서 생기는 섀도잉로스의 정도도 대략 동일하게 되어, 출력 전류의 균일화를 도모할 수 있다.

또한, 상기의 태양전지에서는, 홈형성의 간편성을 고려하면, 형성하는 홈의 단면형상으로서, 직사각형, 반원 또는 삼각중 어느 하나인 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명은, 상기 본 발명의 태양전지 모듈의 설치방법도 제공한다. 구체적으로는, 태양전지 모듈을 미리 정해진 설치장소에 설치할 때에, 각 태양전지의 홈의, 전극형성 내측면의 배치방향을, 설치시에 각 태양전지의 상기 수광면의 수평면에 대한 경사각(β)과, 태양전지 모듈의 설치장소의 위도(δ)에 따라 조정하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명자들이 검토한 바, OECO 태양전지는, 태양전지의 홈의 한쪽의 측면을 전극형성 내측면으로 하고 있기 때문에, 모듈의 자세나, 설치장소의 위도에 따라, 전극에 입사하는 태양광선 강도 및 섀도잉의 정도와, 그 1일 또는 1년에 걸친 변화의 방식 완전히 다른 것을 알았다. 그래서, 모듈의 자세로서 태양전지의 상기 수광면의 수평면에 대한 경사각(β)을 채용하고, 이것과 설치장소의 위도(δ)에 따라서 전극형성 내측면의 배치방향을 조정함으로써 태양전지 모듈의 성능을 보다 효과적으로 끌어낼 수 있게 되고, 나아가서는 태양전지 모듈의 1일 또는 연간에 걸쳐서의 발전량을 보다 증대시킬 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를, 도면을 사용하여 설명하는데, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 한정되는것은 아니다. 도 1은, 본 발명의 태양전지 모듈에 사용되는 태양전지의 단면구조의 1예를 도시하는 것이다. 이 태양전지(14)에서는, 실리콘 단결정 잉곳으로부터 잘라내어진 p형 실리콘 단결정기판(2)의 제 1 주표면(수광면이 됨)(24)상에, 예를 들면 폭 수 100㎛ 정도, 깊이 100㎛ 정도의 다수의 홈(8)이 서로 평행하게 형성되어 있다. 이들 홈(8)은, 예를 들면, 동축적으로 결합된 일체회전하는 수 백매에서 수 천매의 회전날에 의해 일괄적으로 세겨 설치할 수 있는데, 수회의 조작으로 나누어서 세겨 설치해도 좋다.

상기 홈(8)을 세겨 설치한 기판(2)의 제 1 주표면(24)에는, n형 도판트인 인을 열확산함으로써 에미터층(3)이 형성되고, p-n 접합부가 형성되어 있다. 그리고, 그 에미터층(3)상에, 터널 절연막으로서 기능하는 얇은 실리콘 산화막(4)이, 예를 들면 열산화법에 의해 형성되어 있다.

그리고 상기 실리콘 산화막(4)상에 전극(5)이 형성되어 있다. 이 전극(5)은, 예를 들면 증착장치내에서 전극재료(예를 들면 알루미늄 등의 금속)를 홈(8)의 편측의 내측면(전극형성 내측면)에 증착함으로써 형성된 것이며, 그 증착시에 있어서는 후술하는 바와 같이, 홈 폭방향에서의 편측의 내측면에 우선적으로 전극재료가 증착되도록, 증착원에 대하여 기판(2)을 소정각도 이상으로 상대적으로 경사지게 배치하도록 한다(이것이, OECO의 명명의 유래이기도 하다: 또한, 이 증착시에는, 홈(8 ,8)사이에 형성된 볼록 형상부(9)의 정상면에도 여분의 전극재료가 퇴적되는데, 이것은 인산용액 등의 에칭액으로 제거됨). 그리고, 전극(5)을 포함하는 기판(2)의 제 1 주표면(24)의 전체가, 보호층 및 반사 방지막으로서 기능하는 질화실리콘 막(6)에 의해 덮어져 있다. 다른 한편, 기판(2)의 이면측에도 질화실리콘 막(6)과 전극(7)이 형성되어 있다.

도 8은, 상기의 태양전지(14)를 사용한 태양전지 모듈의 1예를 도시하는 것이다. 이 태양전지 모듈(60)은, 복수의 태양전지(14)를 수광면(24)이 위로 되도록 일체적으로 지지하는 지지체(50)를 갖는다. 복수의 태양전지(14)는 지지체(50)의 저변에 대하여, 홈(8)의 길이 방향이 서로 대략 일치하고, 또한, 전극형성 내측면(1) 나아가서는 전극(5)이, 도 3에 도시하는 바와 같이, 모든 태양전지(14)에 대하여 동일측에 위치하는 형상으로 부착되어 있다.

태양전지 모듈(60)을 설치할 때의 전극형성 내측면(1)의 방향은, 연간발전량의 최적화를 도모하기 위해서, 수광면(24)의 수평면으로부터의 경사각도(β)와, 설치장소의 위도(δ) 등에 따라 변경된다. 이 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에서는, 복수의 태양전지(14)는, 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 전극형성 내측면(1)의 위치가, 수광면과 평행한 면내에서 서로 180도 반전한 관계에 있는 제 1 위치(도 5)와 제 2 위치(도 6) 사이에서 적어도 임의로 선택 가능하게 되도록, 지지체(50)(도 8)에 부착되어 있고, 후술하는 설치방법의 구체예를 실시하는 점에서의 편의가 도모되어 있다.

구체적으로는, 복수의 태양전지(14)는 전지 유지부재(10)에 일체적으로 부착되고, 이 전지 유지부재(10)가 지지체로서의 설치 기체(基體)(50)에 부착되어 있다. 전지 유지부재(10)의 설치 기체(50)에의 부착방향의 변경에 의해, 복수의 태양전지(14)의 전극형성 내측면(1)(도 3)의 위치를, 제 1 위치 및 제 2 위치 사이에서 일괄하여 위치 변경할 수 있다. 또한, 태양전지(14)에 형성된 홈(8)의 방향을 육안으로 확인할 수 없는 경우, 전지 유지부재(10) 또는 설치 기체(50)에의 부착시에 지장을 초래하므로, 태양전지(14)에, 홈(8)과 일정한 위치 관계를 만족하는 방향식별 마킹(오리엔테이션 노치 또는 오리엔테이션 플랫 등)을 부여해 두면 편리하다.

여기에서는 전지 유지부재(10)는 플레이트 형상으로 형성되고, 각 태양전지(14)는 그 판면을 따르는 형상으로 부착되어 있다. 따라서, 전지 유지부재(10)의 경사각도(β)가 수광면(24)의 경사각도로 된다. 다른 한편, 설치 기체(50)는 틀 형상으로 형성되고, 전지 유지부재(10)는 착탈결합 기구에 의해, 여기에서는, 설치 기체(50)에 형성된 나사 구멍(52)에 전지 유지부재(10)를 관통하여 밀어 비틀어 넣어지는 나사(51)에 의해, 착탈 가능하게 부착되어 있다. 전지 유지부재(10)의 방향을 바꿀 때는, 나사(51)를 떼고 전지 유지부재(10)를 화살표(R) 방향으로 반전시키고, 다시 나사(51)을 비틀어 넣으면 된다.

또한, 복수의 태양전지(14)의 방향을 지지체에 대하여, 개별적으로 방향조정가능하게 부착할 수도 있다. 도 21에 그 1예를 도시한다. 이 예에서는, 태양전지(14)를 배선 기체(34)에 조립하여 원판 형상의 태양전지 셀 유닛(35)으로하고, 이것을 전지 유지부재(10)에 형성된 전지 유지부(10b)(여기서는 원통형상 내면을 갖는 스폿 페이싱 형상의 오목부로 되어 있음)에 축선둘레로 회전가능하게 부착하고 있다. 따라서, 태양전지 셀 유닛(35)의 회전에 의해, 전극형성 내측면(1)(도 3)의 위치를 변경할 수 있다. 또한, 전지 유지부(10b)의 내면은, 예를 들면 고무제의 탄성유지부(10c)가 형성되어 있고, 태양전지 셀 유닛(35)을 여기에 압입함으로써 설치위치를 유지하도록 하고 있다. 또, 태양전지 셀 유닛(35)으로부터의 출력 선(14a)은, 전지 유지부(10b)에 계속되어 형성되는 관통 구멍(10a)을 통과하여 끌어 내어져 있다.

태양전지 모듈(60)을 지붕에 설치할 때, 일반적으로는 도 7에 도시하는 바와 같이, 볕이 잘드는 남향의 지붕이 선택되는 경우가 많다. 여기에서, 자연광을 이용하여 태양전지 발전을 행하는 경우, 1일 평균의 발전량을 크게하는데는, 광량을 충분히 얻을 수 있는 남중전후의 시간대보다도, 그 전후의 광량이 부족한 경향이 있는, 아침이나 저녁의 시간대에, 어떻게 효율적으로 광을 전력으로 변환할 수 있을지가 결정적 수단이 된다. 여기에서, 태양전지에 섀도잉 로스를 생기게 하기 쉬워지는 것은, 수광면에의 정사영(正射影)이 홈(8)의 길이 방향과 교차하는 형태로 광이 쪼이는 경우이지만, 이와 같은 상태가 상기 조석의 시간대에 길게 계속되는 것은, 발전 효율을 높이는 점에서 바람직하지 않다. 예를 들면 남북방향으로 경사지는 지붕의 위에 태양전지 모듈(60)을 부착할 때, 도 4에 도시하는 바와 같이, 각태양전지(14)는, 홈(8)의 길이 방향이 지붕의 경사 방향과 직교하는 형상으로 부착되도록 한다. 이와 같이 함으로써, 상기와 같은 섀도잉 로스가 생기기 쉬운 조사상태를, 다소 섀도잉 로스를 생기게 해도 문제가 작은 남중 전후의 시간대에 한정되도록 할 수 있고, 반대로, 태양광이 동쪽 또는 서쪽에서 내리쬐는 조석의 시간대에서는, 섀도잉 로스를 억제하여 유효하게 광을 전력으로 변환할 수 있게 된다.

이 경우, 태양전지(14)는, 결과적으로, 형성된 홈(8)의 길이 방향이 수평이 되도록 설치된다. 그리고, 수광면의 경사각도(β)와 설치장소의 위도(δ)를 고려하여, 전극의 최적방향을 예의 검토한 결과, 다음과 같은 설치 태양을 채용하는 것이 유효한 것을 알았다. 즉, 수광면의 수평면에 대한 경사각을 β도로 하고, 설치장소의 위도를 δ도(단, 북위를 정으로 하여 정함)이라고 했을 때,

β≤60×┃sinδ┃…(1)

이 성립할 경우는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 홈(8)의 전극형성 내측면(1)이 타방의 내측면보다도 적도에 가깝게 되도록(즉, 경사 방향에서 상향으로 되도록)배치하고,

β>60×┃sinδ┃…(2)

가 성립할 경우는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 그 반대로 한다.

즉, (1)이 성립하는 위도(δ)에서는, 도 5의 설치 태양을 채용함으로써, 도 6의 설치 태양보다도 연간발전량을 향상시킬 수 있고, 반대로, (2)가 성립하는 위도(δ)에서는, 도 6의 설치 태양을 채용함으로써 도 5의 설치 태양보다도 연간발전량을 향상시킬 수 있다. 즉, 태양전지 모듈(60)의 연간의 발전 효율의 최적화를 도모할 수 있다. 상기 (1) 및 (2)의 조건식을 도시한 그래프를 도 10에 도시한다. 도 10에서는 남위를 마이너스로 나타내고 있다.

식 (1) 및 (2)는, 도 9에 도시하는 흐름에 따라서 도출된 것이다. 이하, 그 상세에 대해여 설명한다. 우선, 태양의 방위각과 앙각, 태양전지 모듈(60)의 설치각과 방위각으로부터, 예를 들면 도 2에 도시하는 바와 같이, 전극(5)의 투영 면적 비율(섀도잉 로스)을 구하는 식을 구할 수 있다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이,

B/(A+B+C), B'/(A'+B'+C') …(3)

이 이 전극의 투영면적 비율에 맞는다. 도 9의 S1에 도시하는 바와 같이, 태양의 방위각(φ')과 앙각(θ')(방위각(φ')은, 홈의 길이 방향의 동쪽 방향을 0, 반시계방향 회전을 정으로 함)은, 날짜(d), 시각(hr) 및 위도(δ)의 함수로서 표시된다. 이 함수의 데이터는 일력에 따라서 일의적으로 구할 수 있다. 이 함수 데이터의 취득 수법은 천문학에서 지극히 주지이므로, 상세한 설명은 생략한다. 그리고, S2에 도시하는 바와 같이, 상기의 φ'과 앙각(θ')'에, 수광면의 경사각도(β)(이하, 태양전지 모듈의 설치각 또는 단지 설치각이라고도 함)에 상당하는 회전 변환을 시행함으로써 수광면(태양전지 모듈)에서 본 상대적인 태양의 방위각(φ)과 앙각(θ')을 나타내는 함수 데이터를 구할 수 있다. 앙각(θ')은 수광면에의 태양광선의 입사각도에 상당하고, 방위각(φ)은 홈(8)에 대한 태양광 정사영과 이루는 각도에 상당하므로, 도 19에 도시하는 바와 같이, 전극두께(t), 홈 깊이(h), 홈 폭(w2), 홈간 거리(w1)가 일정하면, θ 및 φ와, 이들의 홈형상 파라미터를 사용하면, 상기 식 (3)을 사용하여, 각 날짜/시각의 섀도잉 로스(S)를, 위도(δ) 및 설치각(β)의 함수 데이터로서 계산할 수 있다(도 9(S3)).

수광면에서 본 상대적인 태양의 방위각(φ)과 앙각(θ)은, 이하와 같이 하여 계산할 수 있다(여기서는, 북반구상의 지역을 예로 들어서 설명하지만, 남반구상에서도 계산의 개략은 당연, 동일함). 우선, 적도상에서 본 어느 시각 hr시의 태양의 위치를 구한다. 그것을 위해, 도 23에 도시하는 바와 같은, 동을 x의 정의 방향, 북을 y의 정의 방향, 수직 상향을 z의 정의 방향이라고 한 반경 1의 천구를 생각한다. 이 경우, 천구상의 태양의 위치(x, y, z)는, 다음 3개의 식 (4)∼(6)으로부터 요청된다. 단, 태양의 남중시간을 hr=12로 정의하고 있다.

여기에서, α는 1월 1일부터 d일째(1월 1일을 1일째로 함)의 남중각에서, 다음 식 (7)로 표시된다.

또, 이 (x, y, z) 직각좌표와, 반경(R(=*1)), 방위각(φ'), 앙각(θ')으로 표시되는 천구 극좌표(R, φ', θ')와의 사이에, x=cosθ'×cosφ', y=cosθ'×sinφ', z=sinθ'인 관계가 기하학적으로 성립한다. 다음에, 위도 δ도의 지점에서 본 태양의 위치(x1, y1, z1)를 구한다. 위도 δ도의 지점에서 본 태양의 위치는, 적도상에서 보이는 태양의 위치를 x축(동서방향) 둘레로 δ도 회전시킨 것과 동일하게, 다음의 3식 (8)∼(10)로 표시된다.

다음에, 정남으로부터 Ψ도 비켜서 설치된 모듈에서 본 태양의 위치(x2, y2, z2)를 구한다. 단, Ψ의 부호는 동방향을 정으로 한다. 이 태양의 위치는, 태양의 위치(x1, y1, z1)을 z축 둘레로 Ψ도 회전시킨 것과 동일하게, 다음 3식 (11)∼(13)로 표시된다.

더욱이, 태양전지 모듈로부터 본 태양의 위치(x3, y3, z3)를 구한다. 도 24에 도시하는 바와 같이, 태양전지 모듈은 홈의 길이 방향을 수평면과 평행하게, 설치각 β도로 설치한다고 가정한다. 또, 홈의 길이 방향을 x'방향, 홈의 길이 방향에 수직하고 수광면에 평행한 방향을 y'방향, 모듈의 법선방향을 z'방향으로 한다. 이 경우도, 태양전지 모듈에서 본 태양의 위치는, x'축 둘레로 -β도 회전시킨 것과 동일하므로, 다음 3식 (14)∼(16)으로 표시된다.

따라서, 태양전지 모듈로부터 본 태양의 방위각(φ)과 앙각(θ)은, 태양의위치(x3, y3, z3)를 사용하여 다음 식 (17), (18)과 같이 표시된다.

여기에서, 방위각(φ)은, 홈의 길이 방향의 동쪽 방향을 0, 반시계방향 회전을 정으로 한다. 또, 앙각(θ)은, 태양이 모듈 수광면에 대하여 직접 태양광을 입사할 수 있는 경우를 정으로 한다. 결국, 모듈 설치장소의 위도(δ), 설치각(β), 설치 방위각(Ψ), 날짜(d), 시각(hr)의 5개의 변수를 상기 (4)∼(18)식에 부여함으로써 태양전지 모듈로부터 본 태양의 방위각(φ)과 앙각(θ)을 얻을 수 있다.

다음에, 상기의 원리에 따라, 전극형성 내측면(1)을 상향 및 하향으로 한 경우의 각각에 대해, 위도(δ)의 여러 값, 및 설치각(β)의 여러 값에 대해서, 연간에 걸친 각 날짜/시간의 섀도잉 로스(S)를 계산한다. 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에서는, 설치 방위각(Ψ)이 0이고, 위도(δ)를 10도 간격으로, 경사각도(β)를 5도간격으로 정하고, 각 월의 날짜를 중순인 15일로 대표시키고, 각 시의 섀도잉 로스를 구하여, 대표 데이터 점으로 했다. 도 11, 도 12, 도 13은, 위도(δ)를 30도, 설치각(β)을 각각 25도, 30도, 35도로 했을 때의, 각 월 15일의 8시, 10시, 12시, 14시 및 16시에서의 섀도잉 로스(S)를 구한 결과를 도시한다. 또, 도 14, 도 15, 도 16은, 위도(δ)를 50도, 설치각(β)을 각각 45도, 50도, 55도로 했을 때의, 각 월 15일의 8시, 10시, 12시, 14 시, 16시에서의 섀도잉 로스(S)를 구한 결과를 도시하는 것이다.

도 9에 되돌아가서, S4에서는, 섀도잉 로스(S)를 뺀 유효 수광량(Pe)을 구한다. 여기에서는, 태양광에 수직한 면이 받는 태양광 에너지 밀도를, 위도, 시간 또는 태양의 앙각에 구별 없이, 평균적인 값으로서 (1kW/m²)라고 가정했다. 단, 이중 모듈에 조사되는 태양광 에너지 밀도는, 모듈의 법선방향 성분만으로 된다. 또, 일중(일출에서 일몰 사이)에서, 태양광이 직접, 모듈을 조사할 수 없을 경우, 산란광만이 태양광 표면에 도달한다고 가정했다. 그 때, 태양광 에너지 밀도는 입사각 의존성이 없고, 0.3kW/m²에서 일정하다고 가정했다. 즉, 이 경우, 태양이 어느 위치에 있더라도 유효 수광량은 0.3kW/m²로부터 섀도잉 로스분량을 뺀 값으로 된다. 이것은, 구체적으로는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 계절 및 시간대에 따라, 태양이 모듈(60)의 뒷편으로 돌아 들어가 버리는 경우이다. 또한, 야간(일몰부터 일출 사이)은 유효 수광량을 0kW/m²로 했다.

다음에, S5에서는, 상기 가정을 사용하여 계산한 유효 수광량(Pe)을 전체 시간으로 적산하고, 그 전체 시간으로 나눔으로써, 평균 유효 수광량(Pea)을 구한다. 이 평균 유효 수광량(Pea)과 설치각(β)과의 관계를 도시한 결과가, 도 17(위도(δ)=30도) 및 도 18(위도(δ)=50도)이다. 이들 도로부터 명확한 바와 같이, 전극형성 내측면을 상향으로 한 경우와 하향으로 한 경우의, 평균 유효 수광량(Pea) 나아가서는 발전 출력의 우열관계가, 어떤 분기점 각도에서 반전하고 있고, 저각도측에서는 상향이, 고각도측에서는 하향이 유리하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또,그 우열관계가 반전하는 분기점 각도는, 위도(δ)에 의해 변화되는 것도 알 수 있다. 예를 들면, 북위 30도의 케이스에서는 분기점 각도가 약 30도이며, 이것보다 β가 클 경우, 전극형성 내측면을 하향(적도방향)으로, 작을 경우, 상향(적도와 반대 방향)으로 하는 것이 바람직한 것을 의미한다. 다른 한편, 북위 50도에서는, 이 분기점 각도는 약 47도로 되어 있다.

도 9로 되돌아가서, S7에서는, 각 위도(δ)에 대하여 상기 분기점 각도를 구한다. 도 10은, 그 산출 결과를 위도(δ)에 대하여 플로팅한 것이다. 플로팅 점은, 위도 0도(적도위치)에서 0도가 되고(이것은, 상향에서도 하향에서도 우열이 없는 것을 의미함), 그것보다도 δ가 북위측 또는 남위측으로 어긋나면, 분기점 각도는 정현곡선을 따라서 커져 가는 것을 알 수 있다. 이 관계를 나타낸 것이, 상기조건판별식 (1) 및 (2)에 상당한다. 또한, 여기에서 계산에 사용한 OECO 태양전지의 홈형상은, 도 19에서 도시한 바와 같이 융기부 폭(9(w1)) 50㎛, 홈폭(w2) 450㎛, 홈 깊이(h) 50㎛, 전극두께(t) 5㎛이지만, 다른 값을 대입한 경우도, 최후에 얻어지는 곡선은 동일한 것이 얻어진다. 단, 이 도출과정에서, 버스 바 전극에 대해서는 무시했다. 이것은, 버스 바 전극의 섀도잉 로스가 입사각에 의해 변화되지 않기 때문이다.

본 발명에서는, 이들 조건식에 기초하여 태양전지 모듈(60)의 전극형성 내측면(1)의 설치 방향을 결정하고, 설치함으로써, 1년간에 태양전지 모듈(60)로부터 얻어지는 발전 출력의 총량을 증대할 수 있다. 또한, 본 발명의 조건식은 북위 90도로부터 남위 90도까지 적용 가능하다.

또한, 도 20에 도시하는 바와 같이, 태양전지 모듈(60)의 설치장소로서, 반드시 남쪽 방향의 최량의 위치를 확보할 수 있다고는 할 수 없는 경우도 있다. 예를 들면 도 20에서는, 동쪽 방향의 지붕(경사 방향은 따라서 동서방향)상에 설치 하지 않을수 없게 된 경우를 도시한다. 이 경우, 설치 방위각(Ψ)은 0이 아니게 되고, 홈(8)(즉 전극형성 내측면)의 방향이, 남북방향과 직각(동서방향과 평행)으로 되도록, 지지체(여기서는, 전지 유지부재(10))에 부착하는 것이 좋다. 이 경우, 수광면의 경사 방향도 동서방향으로 된다.

도 25는, 설치 방위각(Ψ)이 0이 아닐 경우의, 각 위도(δ)에서의 분기점 각도(β)를 계산한 결과를 도시하는 것이다. 이것에 의하면, 설치 방위각(Ψ)이 65˚까지는, 분기점 각도(β)와 위도(δ)의 관계를 도시하는 곡선에 큰 변화는 없고, 상기한 (1) 및 (2)의 조건식을 대략 그대로 사용해도 문제가 없는 것을 알 수 있다. 다른 한편, 설치 방위각(Ψ)이 65˚를 넘을 경우(상한은 90˚)는, (1) 및 (2)의 우변이 나타내는 단순한 정현곡선으로부터의 일탈이 상당히 커져 있고, 홈방향을 판별하기 위한 조건식으로서는 부적당하게 된다. 그래서 65˚를 넘는 다양한 설치 방위각(Ψ)에서는, 각 위도(δ)에서의 분기점 각도(β)를 구한 계산 결과점에 함수에 의한 커브 피팅을 행한 결과, 다음과 같은 조건식을 사용하는 것은 유효하다는 것이 밝혀졌다. 즉, 하기 식(19)이 성립하는 경우는, 홈의 전극형성 내측면이 타방의 내측면보다도 적도에 가깝게 되도록 배치하고, 식 (20)이 성립할 경우는 그 반대로 하는 것이 바람직하다. 단, Ψ이 90˚(동쪽 방향)일 때, 하기 식(19)이 성립할 경우는, 홈의 전극형성 내측면이 타방의 내측면보다도 동 혹은 하에 가깝게되도록 배치하고, 식 (20)이 성립할 경우는, 그 반대로 한다. 한편, Ψ이 -90˚(서쪽 방향)일 때, 하기 식(19)가 성립할 경우는, 홈의 전극형성 내측면이 타방의 내측면보다도 서 혹은 하에 가깝게 되도록 배치하고, 식 (20)이 성립할 경우는, 그 반대로 한다. 또한, ω= -0.0043δ³+ 0.9δ²- 62.5δ + 1461이다.

도 10으로부터도 명백한 바와 같이, 전극형성 내측면의 상향 또는 하향에 관한 분기점 각도는, 고위도 지역일 수록 커진다. 이것은, 연간에 걸쳐서 태양광의 조사각도가 작기 때문에, 수광면의 경사각도(β)를 되도록 크게한 쪽이 유리하기 때문이다. 이와 같이, 수광면의 경사각도(β) 자체에도, 설치장소의 위도(δ)에 따라 최적의 값이 존재하는 경우가 있다. 그래서, 도 22에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 태양전지 모듈은, 수광면의 경사각도(β)를 가변으로 구성하는 것도 가능하다. 이 도면의 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에서는, 베이스(150)에 전지 유지부재(10)의 하단부를 경첩(53)에 의해 선회가능하게 결합하고, 상단측을 승강 로드(54)에 의해 승강시켜서, 경사각도(β)를 변경할 수 있도록 하고 있다. 승강 로드(54)는, 예를 들면 이것에 일체화된 암나사 부재(54)에 나사축(55)을 나사결합 시켜, 이 나사축(55)을 핸들(56)의 조작 등에 의해 정방향 역방향으로 회전시킴으로써 승강시킬 수 있다.

(실시예 1)

도 1의 태양전지를, 이하와 같은 방법에 의해 제작했다. 우선, III족 원소인 갈륨을 불순물 원소로 하는 p형 단결정 실리콘 웨이퍼(2)(10cm각, 기판 두께 300㎛, 저항율 0.5Ωcm)의 수광면측에, 다이서에 의해 평행한 사각(직사각형) 단면형상의 홈(8)을 복수 형성했다. 홈형상은, 도 19에 도시하는 바와 같이, 홈 간격(W1)을 50㎛, 홈폭(W2)을 450㎛, 홈 깊이(h)를 50㎛로 했다. 다음에, 수산화 칼륨 수용액에 의해 에칭하여 데미지층을 제거하고, 이면에 플라즈마 CVD장치를 사용하여 질화실리콘 막(6)을 형성했다.

이어서, 수광면측에 열확산에 의해 V족 원소인 인을 불순물로 한 n+영역으로 이루어지는 에미터층(3)을, 시트 저항이 100Ω/□이 되도록 제작했다. 더욱이, 이면에 대하여, 알루미늄의 진공증착에 의해 두께 2㎛인 전극(7)을 형성했다. 다음에, 수광면상에 열산화에 의해 막두께 2nm의 터널 산화막(4)을 제작하고, 잇따라서, 이 수광면의 평행 홈에 수직방향, 또한 웨이퍼 표면에 대하여 경사 20도의 방향에서 전극으로 되는 알루미늄을 진공증착하고, 홈 측면의 일방에만 두께 5㎛의 전극(5)을 형성했다. 더욱이, 플라즈마 CVD에 의해 막두께 70nm인 질화실리콘 막(6)을 수광면상에 형성했다.

상기한 바와 같이 하여 제작한 OECO 태양전지를 60매 준비하고, 전극형성 내측면(1)을 동일방향을 향하게 하고, 또한 홈의 길이 방향을 태양전지 모듈의 저변의 방향과 일치시킨 상태에서, 유리와 테들러를 지지기재로 한 태양전지 모듈내에EVA(에틸렌비닐아세테이트) 수지로 밀봉했다. 비교를 위해, 반수의 태양전지의 전극형성 내측면(1)을 180도 회전시켜서 배치한 태양전지 모듈도 제작했다. 편의적으로, 여기에서는 전자를 샘플(1), 후자를 샘플(2)로 한다. 또한, 제작한 태양전지 모듈의 모듈 면적은 666cm²이며, 샘플의 정격 출력은 110W이다.

다음에, 솔라 시뮬레이터(광강도: 1kW/m², 스펙트럼: AM1.5 글로벌)을 사용하여, 제작한 태양전지 모듈의 출력특성을 측정했다. 단, 측정에서는, 태양전지 모듈의 수광면을 홈의 수직방향으로 60도 기울였다. 얻어진 출력특성을, 다음 표에 나타낸다.

	단락 전류(A)	개방 전압(V)	필 팩터(%)	최대 출력
샘플 1	7.0	17.6	77.1	95.3
샘플 2	6.5	17.5	77.2	88.6

이 측정 결과에서는, 샘플 1쪽이, 샘플 2에 비해 0.5A 정도 큰 단락전류를 나타내고, 높은 출력을 나타냈다. 즉, 본 발명을 적용함으로써 높은 출력을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

본 발명의 조건식 (1), (2)로부터, 북위 30도에 설치각 35도로 설치하는 경우의 최적의 전극형성 내측면 방향은 하향으로 하는 것이 바람직하다는 결과를 얻는다. 그래서, 실제로, 실시예 1에서 제작한 전극형성 내측면(1)의 방향을 갖춘 태양전지 모듈을, 북위 30도 20분의 가고시마켄 야쿠시마에서, 정남쪽에 대해 구배가 35도인 가옥의 지붕에 설치하고, 연간 발전량을 측정했다. 준비한 샘플은 전극형성 내측면을 상향으로 한 태양전지 1장과 하향으로 한 태양전지 1장이다. 측정된 연간 발전량을, 표 2에 나타낸다.

	전극형성면 하향 모듈	전극형성면 상향 모듈
연간 발전량(kWh)	118.7	117.9

측정 결과에서는, 전극형성 내측면을 하향으로 하여 설치한 태양전지 모듈쪽이, 상향으로 설치한 태양전지 모듈보다도 큰 연간발전량을 나타낸다.

Claims

각각 수광면상에 복수의 평행한 홈이 형성되고, 각 홈의 폭방향 편측면에서의 내측면(이하, 전극형성 내측면이라고 함)에 출력 취출용의 전극이 설치된 구조를 갖는 복수의 태양전지와, 이들 태양전지를 상기 수광면이 위로 되도록 일체적으로 지지하는 지지체를 구비하고,

상기 복수의 태양전지는 상기 지지체에 대하여, 상기 홈의 길이 방향이 서로 대략 일치하고, 또한 상기 전극형성 내측면이 동일측에 위치하는 형으로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 태양전지는, 상기 전극형성 내측면의 위치가, 상기 수광면과 평행한 면내에서 서로 180도 반전한 관계에 있는 제 1위치와 제 2위치와의 사이에서 적어도 임의로 선택 가능하게 되도록, 상기 지지체에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
제 2 항에 있어서, 상기 복수의 태양전지는 전지 유지부재에 일체적으로 부착되고, 이 전지 유지부재가 상기 지지체로서의 설치 기체에 부착되어 있고, 이 전지 유지부재의 상기 설치 기체에의 설치 방향의 변경에 의해, 상기 복수의 태양전지의 상기 전극형성 내측면의 위치를, 상기 제 1 위치 및 제 2 위치 사이에서 일괄하여 위치 변경할 수 있도록 한 것을 특징으로 한 태양전지 모듈.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈의 단면형상이 직사각형, 반원 및 삼각중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 기재된 태양전지 모듈을 미리 정해진 설치장소에 설치할 때에, 각 태양전지의 상기 홈의, 상기 전극형성 내측면의 배치 방향을, 설치시에 각 태양전지의 상기 수광면의 수평면에 대한 경사각(β)과, 태양전지 모듈의 설치장소의 위도(δ)에 따라 조정하도록 한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 설치방법.
제 5 항에 있어서, 상기 설치장소에 대하여 상기 태양전지 모듈을, 각 태양전지에 형성된 상기 홈의 길이 방향이 수평이 되도록 설치하는 동시에, 상기 수광면의 수평면에 대한 경사각을 β도로 하고, 상기 설치장소의 위도를 δ도(단, 북위를 정으로 하여 정함)로 했을 때,

β≤60×┃sinδ┃

가 성립할 경우는, 상기 홈의 상기 전극형성 내측면이 타방의 내측면보다도 적도에 가깝게 되도록 배치하고,

β>60×┃sinδ┃

가 성립할 경우는 그 반대로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 설치방법.