WO2009107584A1

WO2009107584A1 - 太陽光発電システム

Info

Publication number: WO2009107584A1
Application number: PCT/JP2009/053197
Authority: WO
Inventors: 清水　彰; 正智長谷川
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2009-09-03
Also published as: EP2249394A1; JP2009200445A; EP2249394A4

Abstract

　太陽電池を電力変換装置に接続してなる太陽光発電システムにおいて、高効率、抵コストのシステムを提供する。　太陽電池モジュールが複数並列に電力変換装置に接続される太陽光発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置の出力電圧より高電圧の電圧を出力する。

Description

太陽光発電システム

　本発明は、太陽電池モジュールを電力変換装置に接続してなる太陽光発電システムに関する。

　ウエハ状の結晶系シリコン太陽電池セルは、一枚当りの出力電圧が低く、また複数の太陽電池セルを直列接続してモジュールにしても、その出力電圧は。一般に電子機器や電機機器に供給する電圧よりも低電圧である。
　そのため、複数の太陽電池モジュールを直列接続して出力電圧を高め、所望の出力電圧に設定して電力変換装置に接続することはよく知られている。例えば、特許文献１は、太陽電池モジュールを４枚直列接続した電池アレイを有する発電ブロックを住宅屋根に設置し、発電ブロックからの幹線ケーブルを接続箱に集めて並列に接続し、これをＤＣ／ＡＣ変換装置の入力側に接続する例を示している。この特許文献１の場合、各電池モジュールの１枚あたりの発電電圧は５０Ｖであり、これを４枚直列接続しているので、発電ブロックの出力電圧は２００Ｖになる。
特開２００２－１２４６６９４号公報

　そして、上記のように住宅屋根などに設置する太陽電池システムは、設置面積が様々であり、直列接続できる枚数に制限がある。また屋根面の方角や角度も様々であり、システム毎に太陽電池アレイの出力電圧は異なる。
　このようなシステムごとの出力電圧の差を吸収するため、一般的なＤＣ／ＡＣ変換装置の入力電圧は装置固有の入力範囲（例えば、８０Ｖ～３８０Ｖ）を持って設計され、太陽電池アレイはこの範囲に収まるように太陽電池モジュールの直列数の設定を行う。ＤＣ／ＡＣ変換装置は、様々な電圧で入力される電力を、昇圧回路によって一定の電圧（例えば、４００Ｖ）に昇圧し、ＤＣ／ＡＣ変換を行っている。
　しかしながら、昇圧回路を必要とする電力変換回路は、変換効率が落ちてしまうという問題点があった。
　また、複数の太陽電池アレイを持つ太陽光発電システムの場合、それぞれの太陽電池アレイに昇圧回路を設け、太陽電池アレイ毎の出力電圧の差を吸収してから電力変換を行う必要があり、システムが煩雑になってコストの増大を招いていた。
　本発明はこのような問題に鑑みて、太陽電池を電力変換装置に接続してなる太陽光発電システムにおいて、高効率、抵コストのシステムを提供することを目的としている。

　上記課題を解決するため、本発明の太陽光発電システムは、太陽電池モジュールが複数並列に電力変換装置に接続される太陽光発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置の出力電圧より高電圧の電圧を出力する。

　本発明に係る太陽光発電システムによれば、電力変換装置は、太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧することなく、電力変換することにより、電力変換装置の構成が簡単になり、変換効率が高くなり、低コストのシステムを提供することができる。

本発明の実施形態１のブロック図である。薄膜太陽電池モジュール１の平面図と断面図である。薄膜太陽電池モジュール１の回路図である。短絡抵抗Rshの測定回路の説明図である。短絡抵抗Rshの測定方法の説明図である。短絡抵抗Rshがばらついた場合の、短絡抵抗RshとPrshの関係を表す図である。薄膜太陽電池モジュールの短絡抵抗Rshの分布を示す図である。薄膜太陽電池モジュール２の平面図と断面図である。薄膜太陽電池モジュール２の回路図である。薄膜太陽電池モジュール３の平面図と断面図である。薄膜太陽電池モジュール３の回路図である。本発明の実施形態２のブロック図である。本発明の実施形態３のブロック図である。本発明の実施形態４のブロック図である。

符号の説明

Ｍ１Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４　薄膜太陽電池モジュール
ＤＡ　ＤＡ／ＡＣ変換装置
ＢＤ　保護部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４　抵抗
ＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ３、ＶＭ４　薄膜太陽電池モジュールの出力電圧

　本発明の太陽光発電システムは、太陽電池モジュールが複数並列に電力変換装置に接続される太陽光発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置の出力電圧より高電圧の電圧を出力するものである。実施形態では、前記太陽電池モジュールの出力電圧が前記電力変換装置の出力電圧の√２乃至１０倍であることを特徴とする。
　これにより、電力変換装置は太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧せずに、電力変換することができ、その結果電子機器、電機機器を接続するシステム系に電源供給する事が可能になる。特に、２～５倍であれば、より高効率になる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、太陽電池モジュールを全て並列接続することを特徴とする。
　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、ＡＣ商用電力系統と連係することを特徴とする。
　これにより設置条件が多様な住宅用等系統連係システムにおいてもその多様性の影響を受けずに、安定した太陽光発電システムを提供することができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記太陽電池モジュールは、表面電極、光電変換層及び裏面電極をこの順に積層した複数の薄膜太陽電池素子を互いに直列接続してなる薄膜太陽電池ストリングを備えた薄膜太陽電池モジュールであることを特徴とする。
　薄膜太陽電池素子は、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコンなどシリコン系薄膜太陽電池モジュール、及びCu(InGa)Se₂、CdTe、CuInSe₂などの化合物からなる化合物系薄膜太陽電池モジュールのように、薄膜技術を用いて製造される太陽電池素子であり、この薄膜太陽電池素子は、結晶系太陽電池、アモルファス太陽電池素子及び多結晶太陽電池素子より高電圧を出力すると共に、集積技術を用いることにより直列接続段数を多くすることにより、電子機器や電機機器に供給する電圧よりも高電圧を出力することが可能である。例えば、数１００Ｖ～１０００Ｖ程度の高電圧を出力することが可能である。従って、本発明のシステムはより高い電圧で使用することができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、薄膜太陽電池モジュールを前記電力変換装置に並列接続する接続線間にそれぞれ保護部を挿入したことを特徴とする。
　これにより、各薄膜太陽電池モジュールは他の薄膜太陽電池モジュールから保護され、他の薄膜太陽電池モジュールの発電出力の影響を受けない。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記保護部がブロッキングダイオード、ヒューズであることを特徴とする。
　これにより、各薄膜太陽電池モジュールを保護することができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記複数の薄膜太陽電池モジュールを並列接続する線間にそれぞれ抵抗を接続したことを特徴とする。
　これにより、各薄膜太陽電池モジュールの出力電圧を電力変換装置の入力電圧に一致させることができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記抵抗は、前記電力変換装置に近い方が抵抗値が小さいことを特徴とする。
　これにより、各薄膜太陽電池モジュールの出力電圧を電力変換装置の入力電圧に一致させることができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記抵抗が複数の薄膜太陽電池モジュールを前記電力変換装置に並列接続する接続線よりなることを特徴とする。
　これにより、接続線の抵抗を利用して各薄膜太陽電池モジュールの出力電圧を電力変換装置の入力電圧に一致させることができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記複数の薄膜太陽電池モジュールは、前記電力変換装置に近い方が出力電圧が低いことを特徴とする。
　これにより、各薄膜太陽電池モジュールの出力電力を有効に取出すことができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記薄膜太陽電池ストリングは、下記式（１）を満足する薄膜太陽電池素子の直列接続段数を有することを特徴とする。　n < Rshm / 2.5 / Vpm × Ipm + 1　・・・（１）
　ここで、Rshmは、薄膜太陽電池素子の短絡抵抗値の最頻値
　　　　　Vpmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電圧
　　　　　Ipmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電流
　これにより、ホットスポット耐性を高くし、出力電圧を高くすることができる。

　本発明の太陽光発電システムは、実施形態において、前記薄膜太陽電池ストリングは、最適動作電圧が150Vを超えることを特徴とする。
　これにより、薄膜太陽電池素子の直列接続段数適正に定めることができる。

（実施形態１）
　図１は、本発明の実施形態１のブロック図を示す。図１に示すように、太陽電池モジュールＭは４個あり、４個の太陽電池モジュールＭは並列接続されて、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡのＤＣ入力端に接続される。ここで、各太陽電池モジュールＭは、薄膜太陽電池素子により構成され、各太陽電池モジュールＭの出力電圧はＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡのＡＣ出力電圧（実効値）より高電圧である。更に、各太陽電池モジュールＭの出力電圧ＶＭは、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡの入力電圧より高くなるように設定される。図１は、太陽電池モジュールを４個並列接続した太陽光発電システムを示すが、太陽電池モジュールの数に制限はなく、大規模発電に必要な数の太陽電池モジュールを接続することが可能である。

　各太陽電池モジュールＭの出力電圧Ｖｄｃは、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡのＡＣ出力電圧（実効値）の√２倍～数１０倍程度に設定される。従って、ＡＣ出力電圧が１００Ｖであれば、太陽電池モジュールＭの出力電圧Ｖｄｃは１４０Ｖ～１０００Ｖである。またＡＣ出力電圧が２２０Ｖであれば、太陽電池モジュールＭの出力電圧Ｖｄｃは３００Ｖ～２２００Ｖである。特に２～５倍程度であれば、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡの変換効率がより高くなる。この構成により、交流高電圧出力太陽光発電システムが実現できる。また本発明によれば、ＤＣ／ＡＣ変換装置へダイレクト入力が可能になる。更に、太陽電池モジュールを任意個数並列に接続するので、小規模発電システムから大規模発電システムまで、この発明を適用することができる。しかも太陽電池モジュールの出力電圧は全て等しいのが理想的であり、その場合に最大電力を取り出すことができるが、本発明は太陽電池モジュールを並列接続するので、全ての太陽電池モジュールが等しい出力電圧を出力しなくても有効に電力を取り出すことができる。従って、太陽電池モジュールの設置方向、設置条件、日射受光条件などを全く等しくする必要がなく、設置設計及び工事を容易にする。また一部の太陽電池モジュールが影になって出力電圧が低下したときも影になっていない太陽電池モジュールの出力電圧を低下させない。
　これらの特徴は、特に住宅用など、設置条件が多様な太陽光発電システムにおいて有効である。

　上記太陽電池モジュールＭは、表面電極、光電変換層及び裏面電極をこの順に積層した複数の薄膜太陽電池素子を互いに直列接続してなる薄膜太陽電池ストリングを備え、次のように構成される薄膜太陽電池を用いることによって。上記に示した数百Ｖの高電圧が必要な太陽光発電システムを実現可能であり、住宅用等の商用電力と連係した太陽光発電システムが実現できる。
　＜薄膜太陽電池ストリング１＞　－53段×12並列×2ブロック直列の例―
　図２は、薄膜太陽電池ストリング１に係る集積型薄膜太陽電池モジュールを示し、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ｂ線断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＣ－Ｄ線断面図を示す。図３は回路図を示す。

　薄膜太陽電池ストリング１において、支持基板１は、例えば透光性のガラス基板またはポリイミド等の樹脂基板である。その上（表面）に第１電極(例えばSnO₂（酸化錫）の透明導電膜)を熱CVD法などにより形成する。第１電極は透明電極であればよく、例えばSnO₂とIn₂O₃の混合物であるITOであってもよい。その後、透明導電膜を適宜パターニング除去して分離スクライブライン３を形成する。分離スクライブライン３を形成することにより複数に分離された第１電極２を形成する。分離スクライブライン３は、例えばレーザースクライブビームにより第１電極を溝状（スクライブライン状）に除去することにより形成される。

　次に、第１電極２の上に、例えばｐ型、ｉ型、ｎ型の半導体層（例えば、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンなど）を順次ＣＶＤ法などにより成膜することにより光電変換層４を形成する。このとき、分離スクライブライン３内にも光電変換層が充填される。この光電変換層４はp-n接合であっても良いし、p-i-n接合であっても良い。また、光電変換層４は１段、２段或いは３段、またはそれ以上に積層することが可能であり、各太陽電池素子は基板側から順次長波長へ順次感度が変化するようにするとよい。このように複数の光電変換層を積層する場合、その間にコンタクト層、中間反射層などの層を挟んだ構造としてもかまわない。
　複数の光電変換層４を積層する場合、各半導体層は、すべてが非晶質半導体または微結晶半導体であってもよく、また非晶質半導体または微結晶半導体の任意の組合わせであってもよい。即ち、第１光電変換層が非晶質半導体であり、第２及び第３光電変換層が微結晶半導体である積層構造、又は第１及び第２光電変換層が非晶質半導体であり、第３光電変換層が微結晶半導体である積層構造、又は第１光電変換層が微結晶半導体であり、第２及び第３光電変換層が非晶質半導体である積層構造でもよい。

　また上記光電変換層４は、p-n接合またはp-i-n接合であるが、n-p接合またはn-i-p接合としてもよい。更に、p型半導体層と、i型半導体層の間にi型非晶質からなるバッファ層を備えてもよいし、なくてもよい。通常p型半導体層には、ボロン、アルミニウム等のp型不純物原子がドープされ、n型半導体層には、リン等のn型不純物原子がドープされる。i型半導体層は、完全ノンドープであっても、微量の不純物を含む弱p型又は弱n型であってもよい。
　光電変換層４は、シリコンに限定されることはなく、炭素が添加されたシリコンカーバイド、またはゲルマニウムが添加されたシリコンゲルマニウムのようなシリコン系半導体、またはCu(InGa)Se₂、CdTe、CuInSe₂などの化合物からなる化合物系半導体によって構成することができる。
　なお、薄膜太陽電池ストリング１の光電変換層４は、それぞれp-i-n接合よりなり、アモルファスシリコン/アモルファスシリコン/微結晶シリコンにより、３セルを積層した３接合型薄膜太陽電池である。

　その後、光電変換層４に接続溝をレーザースクライブなどにより作製し、その上に第２電極(ZnO/Ag電極など)をスパッタ法などで作製する。これにより、接続溝に第２電極材料が充填され、コンタクトライン５ｃが形成される。これにより、コンタクトライン５ｃを介して、分離された光電変換層４の第２電極５と、その隣の光電変換層４の第１電極２が接続され、複数の薄膜太陽電池素子が直列接続されることになる。さらにこのコンタクトライン５ｃと平行にセル分離溝６をレーザースクライブなどで作製し、複数の薄膜太陽電池素子に分離する。これにより、図３の例では、個々の太陽電池素子（セル）は等しい大きさに切り離され、図３の上下方向に複数の太陽電池素子が直列接続された薄膜太陽電池ストリング（以下では、セルストリングと言うこともある。）１０が作製される。　このとき、薄膜太陽電池素子の直列接続段数ｎが、下記式（１）の整数倍となるように分離スクライブライン３、コンタクトライン５ｃ、セル分離溝６を形成する。即ち、セルストリングにおける薄膜太陽電池素子の直列接続の段数ｎを下記式（１）のようにする。
　n < Rshm / 2.5 / Vpm × Ipm + 1　・・・（１）
　ここで、Rshmは、薄膜太陽電池素子の短絡抵抗値の最頻値
　　　　　Vpmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電圧
　　　　　Ipmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電流

　上記構成の薄膜太陽電池モジュールは、太陽電池素子をn段集積した薄膜太陽電池ストリングが、そのうちの１段の薄膜太陽電池素子が影に隠れてホットスポット状態になった場合、薄膜太陽電池ストリングの出力は、バイパスダイオードにより短絡された状態になる。このときの等価回路は、光が当たっている(n-1)段の薄膜太陽電池素子に、光が当たっていない1段の薄膜太陽電池素子が負荷として繋がった状態になる。そのため、薄膜太陽電池ストリング内の光が当たっている部分で発電された電力は、薄膜太陽電池ストリング外部に取り出されることなく、大半が影になった薄膜太陽電池素子で消費されるようになる。この時、影になった薄膜太陽電池素子の正常部分での逆方向耐圧が十分に高い場合、薄膜太陽電池素子に流れる電流は、ゴミや傷や突起による面内の短絡部や、レーザースクライブ周辺などの低抵抗部分に流れる。
この電流の流れやすさの一つの目安として、薄膜太陽電池素子に0～数V程度の逆電圧を印加したときの電流電圧特性から算出される短絡抵抗をRsh[Ω]とすると、この短絡抵抗Rshが上記の光が当たっている(n-1)段のセルに対して最適負荷 Rshpmとなったときが
もっとも短絡部分に電力が集中する場合である。従って、短絡抵抗Rshがその値に近くならないようにモジュールを設計する必要がある。

　ここで、短絡抵抗Rshの測定方法を説明する。
　太陽電池モジュールの短絡抵抗Rshは、以下の手順に従って測定できる。
（１）ブロッキングダイオードが内蔵されているモジュールの場合は、ブロッキングダイオードを外す。
（２）バイパスダイオードが内蔵されているモジュールの場合、バイパスダイオードを全て外す。
（３）バイパスダイオードが複数使われていたモジュールの場合は、バイパスダイオードが繋がっていた単位で出力を取り出せるよう加工する。この後の試験はそのバイパスダイオードが繋がっていた単位で評価する。バイパスダイオードがないか１個の場合は、モジュール単位で評価する。
（４）評価対象が、複数のセルが直列接続されたセルストリングを複数含み、それらが並列接続されている構造を持つときは、以下の評価の際には、評価対象となるひとつのストリングを除いて他は全て光が当たらないようにカバーするか、並列接続を切り離して、評価対象となるひとつのストリングだけを評価できるようにする。
（５）定常光ソーラーシミュレータもしくは屋外光を用いて、評価対象に1000W/m²(または1000±200W/m²)の光を当てて温度が安定するのを待つ。
（６）温度、照度が安定した状態でI-Vカーブを測定する。これによりVpmとIpmを決定する。各太陽電池セルに出力電流はIphとする。
（７）モジュールに定常光を当てたまま、外部より定電流源を用いてIt1 = Ipmの電流を流す。この時、評価対象の出力電圧Vt1はVpmになる。(図４（a）参照)
（８）１段分のセルをマスクによって隠して、そのときの出力電圧Vt2を測定する。マスクされたセルの出力電圧はVd1となる。(図４（b）参照)
この時、セルの逆方向耐圧が高いと発熱してセルが壊れる可能性があるので、Vt2にはVt2 < 0とならないように適切なリミッタをかける。リミッタに引っかかった場合は、Vt2 = 0の時のIt2を記録し、上記（６）で測定したI-Vカーブから、電流がIt2の時の電圧を求め、それをVt1とする。
（９）セルストリング内の直列段数をnとしたとき、
Vd1 = Vt2 － (n-1)/n × Vt1
とし、
Rsh=-Vd1 / It2
として、マスクで隠したセルのRshを求める。
（１０）上記（８）～（９）の評価を全てのセルについて繰り返し、各セルのRshの値を測定する。図５は、光の当たっているセルの電流Ｉ１と、光の当たっているセルのＩ－Ｖ特性を示す。また、影にしたセルの電流Ｉ１と、影にしたセルのＩ－Ｖ特性、即ち、傾き１／Ｒｓｈを示す。

　以上のように、短絡抵抗Ｒｓｈは、太陽電池モジュールを完成させ、その完成した太陽電池モジュールからブロッキングダイオード、バイパスダイオードを外し、少なくともセル１段を影にして、電圧－電流を測定するので、太陽電池モジュールにダメージを与える可能性が高い。
　そのため、前述のように、太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子に逆バイアスを印加し、そのときに流れるリーク電流によって短絡抵Rsh ≒　逆バイアス電圧/リーク電流　として短絡抵抗Rshを測定する方法を採用してもかまわない。その時、印加する逆バイアス電圧としては、ホットスポットで想定される電圧をかけるのが望ましい。しかし、各セルの逆方向降伏電圧が高いかもしくは不明な場合は、実際のホットスポットで想定される電圧より低い電圧で試験することが望ましい。アモルファスシリコンと微結晶のタンデムセルの場合は、5～8Vの逆電圧で試験することが望ましい。

　例えば、薄膜太陽電池素子１段の最適動作電圧をVpm[V]、最適動作電流をIpm[A]とし、前述のように、薄膜太陽電池素子の１段が影に隠れた場合、下記式（２）のときが最適負荷Rshpmとなり、最悪となる。
　Rshpm = Vpm / Ipm × (n-1)　・・・（２）
　実際の短絡抵抗Rshは、ゴミや傷や突起による面内の短絡部や、レーザースクライブ周辺の低抵抗部分など種々の原因によって生じる。これらは、製造段階の様々な理由によりばらつき、ある範囲を持って分布する。代表的なシリコン薄膜太陽電池のI-V特性から、短絡抵抗Rshがばらついた場合の短絡抵抗Rshと、そこで消費される電力Prshの関係を図６に示す。上記短絡抵抗Rshが最適負荷Rshpmからずれた場合、大体最適負荷Rshpmの2.5倍で、電力Prshが半分以下となる。即ち、図６では、最適負荷Rshpmが約３３０Ωのとき、電力はほぼ８Ｗであり、短絡抵抗Rshが１３０Ω、電力はほぼ４Ｗである。従って、短絡抵抗Rshが最適負荷Rshpmから2.5倍以上ずれたところで製造できれば、ホットスポットによる剥離の発生は大幅に低減できる。2.5倍以上ずれればよいので、最適負荷Rshpmに対して短絡負荷Rshは2.5倍以上いくらずれてもかまわない。

　また、実際に作製したモジュールの短絡抵抗Rshの分布を図７に示す。薄膜太陽電池素子の短絡抵抗Rshを悪化(＝低下)させる要因としては、分離スクライブラインでの分離不良、面内のゴミや突起やピンホールによる短絡、作製条件のずれによる逆方向リーク電流の増加、ドープ層の低抵抗化など、様々な事象が考えられる。しかし、主たる要因としては、短絡抵抗Rshの分布のピーク付近（～３０００Ω）では、主に分離スクライブラインでのリーク電流が短絡抵抗Rshを低下させる原因となっている。また、短絡抵抗Rshの分布のピーク付近よりも低くなる範囲では、主に面内のリーク電流が短絡抵抗Rshを低下させる原因となっている。
　リーク電流の要因が面内の短絡の場合、ホットスポット現象が起きると、面内の短絡部分が剥離するかもしくは焼ききられて高抵抗になり、そのセルのF.F.を改善させるので、剥離によるIscの低下を相殺し、その結果、特性が大きく低下することは少ない。しかし、リーク電流の要因が分離スクライブラインのリーク電流の場合、ホットスポット現象が起きると、分離スクライブラインから剥離が発生し、正常な部分の太陽電池素子を巻き込んで剥離が進行したり、近くのコンタクトラインにも影響を及ぼしたりするので、面内の短絡の場合と比較すると特性も信頼性も大きく低下する。

　よって、前述の最適負荷Rshpmが、分離スクライブラインのリーク電流が主要因である範囲からはずれ、面内リーク電流が主要因である範囲内にあることが望ましい。具体的には短絡抵抗Rshの最頻値をRshmとし、それに対し最適負荷Rshpmが十分に低い範囲にあればよい。最頻値Rshmが最適負荷Rshpmの2.5倍あれば、最頻値Rshmでの短絡抵抗Prshは最適負荷Rshpmでの半分程度になるので、下記式（３）となるように各パラメータを選べばよい。
　Rshm > 2.5 × Rshpm = 2.5 × Vpm ÷ Ipm × (n-1)　・・・（３）

　薄膜太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子の種類や構造や生産条件が決まると、Vpm, Ipm, Rshmはほぼ決まるので、上式（３）を変形することにより、下記のように式（１）が求められ、これによって、ホットスポット耐性を保てる最大集積段数が決まる。
　n < Rshm ÷ 2.5 ÷ Vpm × Ipm + 1　・・・（１）
　現実的には、太陽電池素子の形状にもよるが、短絡抵抗Rshはあまり低いと、太陽電池素子特性に影響が出るので、リーズナブルな太陽電池素子ではRshm > 2000Ω程度であり、Vpm/Ipm は5～10Ω程度である。このとき、n < 80～160となる。最適動作電圧がVpm = 1.0Ｖ程度の太陽電池素子の場合、薄膜太陽電池モジュールの最適動作電圧が80～160V程度のものまではおのずとこの範囲に収まる。
　この問題が顕著になるのはモジュールの最適動作電圧が160Vを越えた辺りからであり、その場合の対策として、前述の式（１）を守るように集積段数を決めれば良い事を、我々は見出したのである。

　また、この様にして、最大集積段数が制限された場合、薄膜太陽電池モジュールとしてその集積段数で実現できる電圧出力よりも高い電圧出力を得たい場合は、薄膜太陽電池モジュール内部を複数のブロックに分けて、それぞれのブロックでの集積段数が前述の式（１）の範囲内に収まるようにし、各ブロックにバイパスダイオードを並列に取り付け、かつそれらを相互に直列接続すれば、ホットスポット耐性を確保しつつ高電圧出力の薄膜太陽電池モジュールを実現することができる。バイパスダイオードを並列に取り付けると、ホットスポットの発生時にはバイパスダイオードが作動し、ブロックの出力をほぼ短絡するので、他のブロックの影響を受けることがなくなるからである。

　さらに、この様にして作製されたセルストリング１０に、図２（ａ）の上下方向に走るセルストリング分離溝８を作製し、セルストリング１０を図２の横方向に複数に分離し、単位セルストリング１０ａを形成する。ここで単位セルストリングに分離するのはホットスポット耐性向上の為に、１単位セルストリング１０ａ当りの発電量を一定値以下に抑えるためである。ホットスポット現象によるセルの損傷を抑制する観点からは単位セルストリング１０ａの出力Ｐａは小さい方がよい。単位セルストリングの出力Ｐａの上限は後述するセルホットスポット耐性試験により求められ、１２Ｗである。単位セルストリングの出力Ｐａは、次式（４）によって算出できる。
Ｐａ＝（Ｐ／Ｓ）×Ｓａ　・・・（４）
　Ｐは薄膜太陽電池モジュールの出力
　Ｓは薄膜太陽電池モジュールの有効発電部面積
　Ｓａは単位セルストリング１０ａの面積

　薄膜太陽電池モジュールの出力Ｐが一定である場合、単位セルストリング１０ａの出力Ｐｓを小さくするには、薄膜太陽電池モジュールに含まれる単位セルストリング１０ａの数を増やす、即ちストリング分割溝８の数を増やせばよい。単位セルストリング１０ａの出力Ｐｓの上限のみを考慮すれば、並列分割段数は多ければ多いほど有利である。しかし、並列分割段数を増やすと、以下の理由（１）～（３）により、コンタクトライン印加電力密度（Ｐ－Ｐｓ）／Ｓｃが増大し、コンタクトライン５ｃが損傷されやすくなる。ここで、Ｐは薄膜太陽電池モジュールの出力、Ｐｓは影になったセルストリングが出力し得る出力、Ｓｃは、コンタクトライン５ｃの面積である。

（１）他の単位セルストリングからの印加電力の増大
　１つの単位セルストリング１０ａが影になった場合、他の全てのセルストリングで発生した電力が影になった単位セルストリング１０ａに印加される。影になった単位セルストリング１０ａに印加される電力の値は、（Ｐ－Ｐｓ）となる。（Ｐ－Ｐｓ）の値は、単位セルストリング１０ａの出力Ｐａの値が小さいほど大きくなるので、並列分割数を増やして単位セルストリング１０ａの出力Ｐａを減らすと、影になった単位セルストリング１０ａに印加される電力が増大する。

（２）コンタクトラインの面積減少
　並列分割数を増やすと、図２（ｂ）に示すコンタクトライン５ｃの長さＬが短くなり、その結果、コンタクトライン５ｃの面積Ｓｃが小さくなる。その結果、コンタクトライン５ｃの抵抗値が増大する。

（３）接続溝の印加電力密度増大
　上記の通り、並列分割数を増やすと、（Ｐ－Ｐｓ）の値が増大し、且つコンタクトＰラインの面積Ｓｃが小さくなる。従って、コンタクトライン５ｃに印加される電力密度（Ｐ－Ｐｓ）／Ｓｃが増大し、コンタクトライン５ｃが損傷されやすくなる。

　コンタクトライン５ｃの損傷を抑制するには、コンタクトライン５ｃに印加される電力密度（Ｐ－Ｐｓ）／Ｓｃをその上限値以下にする必要がある。コンタクトライン５ｃの印加電力密度（Ｐ－Ｐｓ）／Ｓｃの上限は、後述する逆方向過電流耐性試験により求まり、１０．７（ｋＷ／ｃｍ²）であった。コンタクトライン印加電力密度（Ｐ－Ｐｓ）／Ｓｃは、１０．７（ｋＷ／ｃｍ²）以下であれば特に限定されない。

　ここで、セルホットスポット耐性試験について説明する。
　まず、薄膜太陽電池ストリング１の薄膜太陽電池モジュールを作製し、5V～8Vの逆方向電圧をかけ、逆方向電流が0.019mA/cm²～6.44mA/cm²になるように変化させたときの電流（ＲＢ電流と言う）及びＩ－Ｖを測定する。測定したサンプルの中から、逆方向電流が異なるサンプルを並列分割して、評価対象ストリングの出力が5～50Wになるようにする。次に、薄膜太陽電池素子（１セル）のホットスポット耐性試験を行う。ホットスポット耐性試験はICE61646 1stEDITIONに準拠し、ここでは合格ラインを外観をよくする観点から１０％より厳しくした。剥離面積は、薄膜太陽電池モジュールの基板側からサンプル表面を撮影し、膜剥離が起こった部分の面積を測定した。セルストリングの出力又はＲＢ電流が異なるサンプルを測定した結果、ＲＢ電流が中程度の大きさの場合（0.31～2.06mA/cm²）に膜剥離がおきやすいことが分かった。また、セルストリングの出力が１２Ｗ以下の場合、ＲＢ電流の大きさによらず剥離面積は５％以下に抑えることができることが分かった。これにより、単位セルストリングの出力Ｐｓの出力は１２Ｗ以下に設定された。

　次に、逆方向過電流耐性試験について説明する。
　まず、薄膜太陽電池ストリング１の薄膜太陽電池モジュールを作製し、発電電流の方向とは逆方向に過電流を流して、コンタクトラインの損傷を調べることにより、逆方向過電流耐性試験を行った。ここで流す電流は、ＩＥＣ６１７３０の規定に準ずると、耐過電流仕様値の1.35倍となるが、ここでは７０Ｖで、５.５Ａ流した。
　薄膜太陽電池モジュールに上記電圧、電流を加えると、並列接続したセルストリングに電流が分割して流れるのであるが、セルストリングの抵抗値はそれぞれ異なり、そのため電流は均等に分割されない。最悪の場合、７０Ｖ、５．５Ａ全部が１つのセルストリングに印加されることがある。この最悪の場合にもセルストリングが損傷されないかどうか試験する必要がある。そこで、コンタクトラインの幅を２０μｍと４０μｍに変化させ、長さを８．２ｍｍ～３７．５ｃｍに変化させて、サンプルを作製し、コンタクトラインの損傷を目視判定した。その結果、コンタクトラインの面積を２０μｍ×１８ｃｍまたは４０μｍ×９ｃｍ＝０．０３６ｃｍ²以上にすればよいことが分かった。セルストリングに印加した電力は、３８５Ｗであるから、３８５Ｗ÷０．０３６ｃｍ²＝１０．７（ｋＷ／ｃｍ²）である。

　上記のようにして、ストリング分離溝８を形成した後、金属電極７を用いて、セルストリング１０を上下二つの領域に分ける。具体的には、図２の上端に集電電極７ａ、下端に集電電極７ｂを取り付けて、垂直方向に走る分離溝８で分割した各単位セルストリングをあらためて並列に接続する。同時に、二つの集電電極７ａと７ｂの真ん中にも中間線取り出し用の集電電極７ｃを追加し、ここを境に上下二つの単位ストリング１０ａの領域に分ける。これにより、この集積基板１は、12×2の24領域に分割される。中間線取り出し用の集電電極７ｃは、図２（ｂ）に示すようにセルストリングの第２電極７の上に直接つけてもよい。あるいは、上領域と下領域の間に、中間線取り出し用電極領域を設けて集電電極７ｃを取り付けてもよい。

　この薄膜太陽電池モジュール全体の回路図を図３に示す。複数の薄膜太陽電池素子が直列接続された単位セルストリングをバイパスダイオードに並列に接続する。具体的には端子ボックス１１内にバイパスダイオード１２を用意し、そこに各単位セルストリング１０ａから導出されたリード線１４、１５、１６を配線し、２つのセルストリングを２つのバイパスダイオード１２に並列接続する。２つのバイパスダイオード１２は直列接続されているため、複数の薄膜太陽電池素子が直列接続された方向に、複数のセルストリングが直列接続される。これにより、１単位ストリング内の直列接続数を式（１）に規定の段数以下に抑えつつ、その倍の電圧を端子１３間に出力することを可能にしている。
　上記薄膜太陽電池ストリング１は、端子ボックス１１内で各単位セルストリングを接続したが、薄膜太陽電池モジュールの支持基板１上に配線を施し、この配線を用いて接続してもよい。この場合に支持基板１上に施す配線は、集電電極７の形成と同時に形成してもよく、またジャンパ線のように、別配線を用いてもよい。

　この薄膜太陽電池ストリング１の構造で、光電変換層にアモルファスシリコン２セルと微結晶シリコン１セルを積層した３接合型のセルを用いた場合、式（１）に示した計算式は以下の様になる。
　Rshm = 4000[Ω]
　Vpm=1.80[V]
　Ipm=62[mA]
n < Rshm ÷ 2.5 ÷ Vpm × Ipm ＋ 1 = 56.1
　よって、式（１）に従い、nは56段以下にすればよいので、薄膜太陽電池ストリング１では106段の直列構造の真ん中に中間取出し電極７ｃを設けて、単位セルストリング１０ａは、53段としている。
　また、この薄膜太陽電池ストリング１では中間取り出し線７ｃは１本であるが、基板全体の集積段数や個々のセル電圧に応じて、分割数を増やし中間取り出し線の数を増やして１領域あたりの集積段数を減らしても良い。また、出力電圧が式（１）の段数によって得られる電圧以下である場合は、１ブロックとしてもかまわない。

　＜薄膜太陽電池ストリング２＞―53段×6並列×4ブロック直列―
　図８は、薄膜太陽電池ストリング２に係る集積型薄膜太陽電池モジュールを示し、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ－Ｆ線断面図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＧ－Ｈ線断面図を示す。図９は回路図を示す。

　薄膜太陽電池ストリング２は、より高い電圧を出力する為に、分割後の接続方法に特徴を有する。その他の構造及び作製方法は薄膜太陽電池ストリング１と同じである。具体的には、第１電極２、分離スクライブライン３、光電変換膜４、第２電極５、セル分離溝６を作製するところまでは薄膜太陽電池ストリング１と同じである。それに続いて、垂直方向に走るセルストリング分離溝８によって、１２個の単位セルストリングに分割する。この分割の際に、中央のストリング分離溝８ａを広めに取る。この部分には発電中に薄膜太陽電池モジュール動作電圧の２分の１に相当する高い電圧がかかる為、耐圧を確保する必要がある。この薄膜太陽電池ストリング２では、他のストリング分離溝８の２倍程度に広めに取っている。もちろん、ストリング分離溝８ａに樹脂を充填したり、絶縁膜を成膜したりして絶縁耐圧を上げてもよい。

　その後、集電電極７ａ、７ｂ、７ｃを形成する際には、それぞれ図８の右側のセルストリングと左側のセルストリングで分離し、独立電極となるように別々に形成する。これにより、53段直列接続×６並列のブロックが４つ出来上がる。これを図９に示したようにリード線２１～２５を用いて端子ボックス１１の内部でバイパスダイオード１２に配線し、４ブロック直列接続にする。これにより、薄膜太陽電池ストリング１のさらに倍の電圧を出力する薄膜太陽電池モジュールを実現することができる。つまり、セルストリングの４倍の出力電圧が得られる。従って、複数の薄膜太陽電池素子が直列接続された方向に複数のセルストリングが直列接続され、また複数の薄膜太陽電池素子が直列接続された方向と直交する方向に複数のセルストリングが直列接続される。これにより、１単位のセルストリング内の直列接続数を式（１）に規定の段数以下に抑えつつ、その４倍の電圧を端子１３間に出力することを可能にしている。
　４ブロック直列接続する為の配線は、各ブロックからリード線を導出して薄膜太陽電池モジュール内で直接繋いでもいいし、図９に示すように各ブロックから導出したリード線を端子ボックス内で繋いでも、一旦モジュール外部に引き出してから直列に繋いでもかまわない。

　また、薄膜太陽電池ストリング１と同様に、直列ブロック毎にバイパスダイオード１２を並列に取り付ける。これにより、１領域内の直列接続数を式（１）に規定の段数以下に抑えつつ、その４倍の電圧を出力することを可能にしている。バイパスダイオード１２は、小型薄型のものを薄膜太陽電池モジュールに内蔵してもいいし、端子ボックス内に内蔵してもいい。
　この薄膜太陽電池ストリング２のように、太陽電池素子の集積方向と異なる方向、例えば直交する方向に分割し、それを接続し直すと、薄膜太陽電池ストリング１の場合のように集積方向にのみ分割した場合と違い、最適な集積ピッチを保ったまま高電圧化することができ、モジュール変換効率を落とすことなく高電圧化することができる。

　＜薄膜太陽電池ストリング３＞―48段×5並列×2ブロック直列の基板を２枚用いて48段×5並列×４ブロック直列を実現した例―
　薄膜太陽電池ストリング１と２では支持基板そのものが大きく、その上に全てのセルストリングを形成した薄膜太陽電池モジュールの例を示したが、小さな支持基板を複数組み合わせて大きな太陽電池モジュールを作る場合にも同様の課題に直面する。その場合、個々の支持基板内のセルストリングを式（１）に示した条件を満たす様に形成し、それらを繋ぎ合わせれば信頼性を確保しつつ高電圧のモジュールを作製できる。即ち、セルストリングは、薄膜太陽電池ストリング１及び２と同じようにして構成し、これを図１０に示すように、小型集積基板２枚をひとつの集積基板９上で、並列接続する。すなわち、図１０に示すように、２つの薄膜太陽電池モジュールの支持基板１を、１つのカバーガラスからなる集積基板９上に載置し、一つにまとめるように構成する。これを図１１に示すように端子ボックス１１内で、直列接続する。
　上記小さい支持基板は、それぞれ個別に封止して、それらを図１０に示すように集積基板上に一体化してもよいし、または枠を用いて一体化してもよい。また、上記のように２つの小さい支持基板を１つの集積基板上に載置して、それらをひとつに纏めるように封止してもよい。
また、二つの支持基板を別々に封止し、枠でまとめてひとつの薄膜太陽電池モジュールにしてもよい。

　以上に示した薄膜太陽電池ストリング１～３は、スーパーストレート型構造の薄膜太陽電池モジュールについて説明したが、薄膜太陽電池モジュールはサブストレート型構造にも適用可能であり、その場合、基板上に第２電極、光電変換層及び第１電極を、この順に形成する。
　また、上記薄膜太陽電池ストリング１～３は、端子ボックスを１つ備えるが、端子ボックスを複数備え、複数の端子ブック間を配線することによりセルストリングを直列接続してもよい。
　また、上記薄膜太陽電池ストリング１～３は、セルストリングを２個形成して２分割したが、出力電圧がセルストリングの段数ｎによって満足できるときは、１個であってもよい。また、セルストリングは、偶数個でなく奇数個であってもよい。
　また、上記薄膜太陽電池ストリング１～３は、バイパスダイオードに接続して、セルストリングを直列接続したが、バイパスダイオードをなくしてセルストリングを直接接続してもよいし、バイパスダイオードに代えて抵抗、負荷に接続してもよい。

（実施形態２）
　図１２は、太陽光発電システムの実施形態２のブロック図を示す。図１２に示すように、薄膜太陽電池モジュールＭは、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡに並列接続する接続線Ｋ１、Ｋ２に対して、それぞれ保護部ＢＤを挿入したことを特徴とする。保護部ＢＤは、ブロッキングダイオード、ヒューズである。これ以外に、薄膜太陽電池モジュールＭを他の薄膜太陽電池モジュールから保護する機能素子を用いてもよい。その他の構成は、実施形態１と同様である。薄膜太陽電池モジュールを形成する薄膜太陽電池ストリング１～３も実施形態１と同様である。
　これにより、各薄膜太陽電池モジュールＭは独立し、他の薄膜太陽電池モジュールＭの影響を受けない。即ち、１つの太陽電池モジュールが影になり出力電圧が低下しても出力電圧が低下した太陽電池モジュールに逆流することがない。

（実施形態３）
　図１３は、太陽光発電システムの実施形態３のブロック図を示す。図１３に示すように各薄膜太陽電池モジュールＭを並列接続する接続線Ｋ１、Ｋ２の各間にそれぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を接続する。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡに近い方が抵抗値が小さくなるようにする。また、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、接続線Ｋ１及びＫ２の内部抵抗により形成することができる。図１３の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は接続線Ｋ１、Ｋ２にそれぞれ接続したが、接続線Ｋ１またはＫ２のいずれか一方であってもかまわない。また接続線Ｋ１、Ｋ２の内部抵抗により抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を形成する場合、必要に応じて接続線Ｋ１及びＫ２の線の太さを変えたり、線の数を変えたりするとよい。この抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４により、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡの入力端で等しい電圧になるようにする。
　その他の構成は、実施形態１と同様である。薄膜太陽電池モジュールを形成する薄膜太陽電池ストリング１～３も実施形態１と同様である。

（実施形態４）
　図１４は、太陽光発電システムの実施形態４のブロック図を示す。図１４に示すように複数の薄膜太陽電池モジュールＭは、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡに遠い方が出力電圧が高く、近い方が出力電圧が低くなるようにする。そして、ＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡの入力端で等しい電圧になるようにする。複数の薄膜太陽電池モジュールＭの出力電圧にバラツキがあるとき、出力電圧の順に並べ、出力電圧の低い薄膜太陽電池モジュールＭがＤＣ／ＡＣ変換装置ＤＡの入力端になるように配置するとよい。
　その他の構成は、実施形態１と同様である。薄膜太陽電池モジュールを形成する薄膜太陽電池ストリング１～３も実施形態１と同様である。
　実施形態１～４では、電力変換装置としてＤＣ／ＡＣ変換回路を用いた例で説明しているが、本発明の効果はＤＣ／ＡＣ変換回路に限るものではない。例えば、ＤＣ／ＡＣ変換回路を電力変換回路に用いた太陽光発電システムでも、同様の効果が得られる。

Claims

　太陽電池モジュールが複数並列に電力変換装置に接続される太陽光発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置の出力電圧より高電圧の電圧を出力する太陽光発電システム。
　前記太陽電池モジュールの出力電圧は、前記電力変換装置の出力電圧の√２乃至１０倍である請求項１に記載の太陽光発電システム。
　前記太陽電池モジュールを全て並列接続する請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
　ＡＣ商用電力系統と連系する請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
　前記太陽電池モジュールは、表面電極、光電変換層及び裏面電極をこの順に積層した複数の薄膜太陽電池素子を互いに直列接続してなる薄膜太陽電池ストリングを備えた薄膜太陽電池モジュールである請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
　前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置に並列接続する接続線間にそれぞれ保護部を挿入した請求項１に記載の太陽光発電システム。
　前記保護部は、ブロッキングダイオード、ヒューズである請求項６に記載の太陽光発電システム。
　前記複数の太陽電池モジュールを並列接続する線間にそれぞれ抵抗を接続した請求項１に記載の太陽光発電システム。
　前記抵抗は、前記電力変換装置に近い方が抵抗値が小さい請求項８に記載の太陽光発電システム。
　前記抵抗は、複数の太陽電池モジュールを前記電力変換装置に並列接続する接続線よりなる請求項８または９に記載の太陽光発電システム。
　前記複数の太陽電池モジュールは、前記電力変換装置に近い方が出力電圧が低い請求項１に記載の太陽光発電システム。
　前記薄膜太陽電池ストリングは、下記式（１）を満足する薄膜太陽電池素子の直列接続段数を有する請求項５に記載の太陽光発電システム。
　n < Rshm / 2.5 / Vpm × Ipm + 1　・・・（１）
　ここで、Rshmは、薄膜太陽電池素子の短絡抵抗値の最頻値
　　　　　Vpmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電圧
　　　　　Ipmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電流
　前記薄膜太陽電池ストリングは、最適動作電圧が160Vを超える請求項１２に記載の太陽光発電システム。