(57)【要約】      （修正有）【課題】影による出力低下の問題を解決するための、新規な構造を有する太陽電池素子を提供する。【解決手段】第一の透明電極１１及び非透明電極１３からなる一対の電極と、該一対の電極に挟持された第一の光電変換層１４と、を有し、更に、該非透明電極に対して第一の透明電極の逆側に、該非透明電極と対をなす第二の透明電極１２と、該非透明電極と該第二の透明電極に挟持された第二の光電変換層１５と、を有する、太陽電池素子。【選択図】図１
2020161766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の透明電極及び非透明電極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟持された第一の光電変換層と、を有し、
更に、該非透明電極に対して該第一の透明電極の逆側に、該非透明電極と対をなす第二の透明電極と、該非透明電極と該第二の透明電極に挟持された第二の光電変換層と、を有する、太陽電池素子。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池素子が、直列に複数接続されたモノリシック構造を有する、太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記第一の光電変換層と、前記第二の光電変換層とが、異なるバンドギャップを有する、請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記第一の光電変換層及び第二の光電変換層のうち、少なくとも一方がペロブスカイト型化合物を含む、請求項２又は３に記載の太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池素子及び該太陽電池素子が直列に接続してなる太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーを有効利用する観点から、建物などの構造物の屋根や壁に、更にはインテリアとして太陽電池モジュールを設置し発電させ、電気を得ることが盛んに行われている。通常、太陽電池モジュールは、大きな起電力を得るために、複数の太陽電池セルが直列接続された構造を有する。しかしながら、このような太陽電池モジュールを建物等に設置して使用すると、太陽電池モジュールの一部に影が生じる場合がある。ここで、太陽電池モジュールの一部に影が生じると、影部分の太陽電池セルは、直列接続された方向と逆方向に接続されたダイオードとして作動し、大きな抵抗となってしまう。そのため、太陽電池セルユニットの直列接続方向の電流の流れが抑制され、結果的に太陽電池モジュールの出力が大幅に低下することになる。
【０００３】
このような影に起因する出力低下に対応するため、バイパスダイオードを設けることが行われている。例えば特許文献１には、バイパスダイオード設置による受光面積の低下の問題を解決するため、透明基板上に形成された薄膜太陽電池素子と、該薄膜太陽電池素子上に形成された薄膜バイパスダイオードを含む薄膜太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６８７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記特許文献１に記載された方法とは異なる、新規な構造を有する太陽電池素子により、影に起因する出力低下の問題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく研究を進め、太陽電池素子自体がダイオードとして働き得ることを利用し、太陽電池素子が備える一対の電極のうち一方を非透明電極とし、該透明電極を挟んで逆側にも太陽電池素子として機能し得る構成を設けることで、影による出力低下の問題を解決し得る、新たな構成の太陽電池素子を提供できることを見出し、本発明に到達した。本発明は、以下のものを含む。
【０００７】
［１］第一の透明電極及び非透明電極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟持された第一の光電変換層と、を有し、
更に、該非透明電極に対して該第一の透明電極の逆側に、該非透明電極と対をなす第二の透明電極と、該非透明電極と該第二の透明電極に挟持された第二の光電変換層と、を有する、太陽電池素子。
［２］［１］に記載の太陽電池素子が、直列に複数接続されたモノリシック構造を有する、太陽電池モジュール。
［３］前記第一の光電変換層と、前記第二の光電変換層とが、異なるバンドギャップを有する、［２］に記載の太陽電池モジュール。
［４］前記第一の光電変換層及び第二の光電変換層のうち、少なくとも一方がペロブスカイト型化合物を含む、［２］又は［３］に記載の太陽電池モジュール。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、太陽電池モジュールの一部に影が生じても、太陽電池モジュールの出力が大幅に低下するのを防ぐことができる。更に、太陽電池モジュールの両面からの光に対して発電が可能であり、太陽電池モジュール設置のバリエーションが大幅に増える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態としての太陽電池モジュールを模式的に表す断面図である。
【図２】一実施形態としての太陽電池モジュールを、ガラス窓に貼着した状態を模式的に表す断面図である。
【図３】一実施形態としての太陽電池モジュールを、ガラス窓に貼着した状態を模式的に表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る太陽電池素子は、第一の透明電極及び非透明電極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟持された第一の光電変換層と、を有し、更に、該非透明電極に対して第一の透明電極の逆側に、該非透明電極と対をなす第二の透明電極と、該非透明電極と該第二の透明電極に挟持された第二の光電変換層と、を有する、太陽電池素子である。
【００１２】
図１は、太陽電池モジュールの一実施形態を示す、断面模式図である。太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子（太陽電池セルとも称する）１０が、直列に接続されたモノリシック構造を有する。
太陽電池セル１０は、図中上から封止材層１７、第一の透明電極１１、第一の光電変換層１４、非透明電極１３、第二の光電変換層１５、第二の透明電極１２及び基材１６が積層してなる。これらに限られず、他の構成部材を有してもよい。
【００１３】
第一の透明電極１１と非透明電極１３とは対をなす電極であり、その間に配置された第一の光電変換層１４が、図中上方向からの光エネルギーを電気的エネルギーに変換し、発電する。
他方、非透明電極１３は、その図中下方の第二の透明電極１２とも対をなす電極であり、その間に配置された第二の光電変換層１５が、図中下方向からの光エネルギーを電気的エネルギーに変換し、発電する。
【００１４】
すなわち、太陽電池モジュール１００は、第一の透明電極１１側からの光に対して発電することが可能であり、且つ、第二の透明電極１２側からの光に対しても発電することが可能である、いわゆるリバーシブル太陽電池モジュールである。
【００１５】
太陽電池モジュール１００は、上記のとおりその両透明電極側からの光に対して発電できるリバーシブル太陽電池であるとともに、中央の非透明電極１３が光を透過しないことから、発電していない側の太陽電池の構成がバイパスダイオードとしても機能し得る。そのため、太陽電池モジュールの一部に影が生じても、太陽電池モジュールの出力が大幅に低下するのを防ぐことができる。このことについて、図２及び図３により、以下説明する。
【００１６】
図２及び図３は、具体的一形態として、太陽電池モジュール１００が薄膜太陽電池モジ
ュールであり、家屋の窓ガラス２０に貼着されて使用される形態を示す。
図２では、日中、太陽光が図中左側から太陽電池モジュール１００に入射し、太陽電池モジュール１００のうち、第一透明電極１１と非透明電極１３とを一対の電極とする、図中左側の太陽電池セル（以下、第一太陽電池セルと称する）が発電する。すなわち、図中左側の太陽電池セルが発電層となる。
その際、第一太陽電池セルに影２１が生じた場合、当該影部分の第一太陽電池セルは逆バイアスのダイオードとなり、太陽電池モジュールの出力が低下し得る。ここで、太陽電池モジュールのうち、第二透明電極１２と非透明電極１３とを一対の電極とする、図中右側の太陽電池セル（以下、第二太陽電池セルと称する）が、バイパスダイオードとして機能することで、発電した電流が影部分の第一太陽電池セルを回避することが可能となり、太陽電池モジュールの出力低下を抑制することができる。なお、図２中の白抜き矢印は、電流の流れを示す。
【００１７】
他方、図３では、夜間、室内光が図中右側から太陽電池モジュール１００に入射し、太陽電池モジュールのうち、第二透明電極１２と非透明電極１３とを一対の電極とする図中右側の第二太陽電池セルが発電する。その際、第二太陽電池セルに影２１が生じた場合、当該影部分の第二太陽電池セルは逆バイアスのダイオードとなり、太陽電池モジュールの出力が低下し得る。ここで、太陽電池モジュールのうち、第一太陽電池セルが、バイパスダイオードとして機能することで、発電した電流が影部分の第二太陽電池セルを回避することが可能となり、太陽電池モジュールの出力低下を抑制することができる。なお、図３中の白抜き矢印は、電流の流れを示す。
【００１８】
以下、太陽電池モジュールを構成する各部材について説明する。
＜光電変換層１４、１５＞
光電変換層１４、１５として用いられる材料としては特段限定されず、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、球状シリコン、無機半導体材料、色素材料、有機半導化合物などが挙げられる。このうち、窓ガラス等に帖着して使用する場合には、可撓性を有し得るアモルファスシリコン、色素材料、有機半導化合物などが好ましい。
第一の光電変換層１４と、第二の光電変換層１５とが、異なるバンドギャップを有する形態であると、設置場所に応じた乃至は受光する光の波長に応じた適切な発電を行うことができるため、好ましい。また、一形態として、少なくとも一方の光電変換層をペロブスカイト型化合物より形成すると、室内光のような低照度でも発電できることから、家屋の窓に貼着して使用する場合には好ましい。また、この場合に太陽光により発電する他方の光電変換層は、アモルファスシリコンや有機半導体等を用いると、効率的に発電することができる。
【００１９】
光電変換層１４、１５の厚さは特段制限されないが、通常１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以上であってよく、また通常１００μｍ以下であり、１０μｍ以下であってよく、１μｍ以下であってよい。
【００２０】
＜透明電極１１、１２及び非透明電極１３＞
本実施形態において、一対の電極は、透明電極１１と非透明電極１３と、または、透明電極１２と非透明電極１３と、からなり、一対の電極は一方がアノードであり、他方がカソードである。
透明電極は、透光性を有する透明部材から形成される。透光性を有するとは、太陽光が４０％以上透過することを指す。また、透明電極は、太陽光透過率が７０％以上であることで、より多くの光が透明電極を透過して光電変換層に到達するために好ましい。光の透過率は、分光光度計（例えば、日立ハイテク社製Ｕ−４１００）で測定できる。
【００２１】
透明電極に用いられる材料としては、スズをドープしたインジウム酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛をドープしたインジウム酸化物（ＩＺＯ）、タングステンをドープしたインジウム酸化物（ＩＷＯ）、亜鉛とアルミニウムとの酸化物（ＡＺＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等が挙げられる。これらの中でも、スズをドープしたインジウム酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛をドープしたインジウム酸化物（ＩＺＯ）、タングステンをドープしたインジウム酸化物（ＩＷＯ）、亜鉛とスズの複合酸化物（ＺＴＯ）等の非晶質性酸化物を用いることが好ましい。
また、透明電極は、シート抵抗が１００Ω／□以下であることが好ましく、５０Ω／□以下であることがさらに好ましく、一方、０．１Ω／□以上であることが好ましい。
【００２２】
非透明電極１３は、透光性を有さない部材から形成される。非透明電極１３が透光性を有すると、非透明電極１３を挟んだ両側の光電変換層が共に発電することとなり、互いの発電を打ち消しあうことから、非透明電極１３は透光性を有さない。
透光性を有さないとは、太陽光の透過率が３０％以下であることを指し、５％以下であることが好ましく、全く透過しない０％であることが好ましい。
【００２３】
非透明電極１３としては透光性を有さない電極を形成できればよく、例えば、金、白金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム、クロム、銅、コバルトの等の金属又はその合金が挙げられる。これらのなかでも、金属層を形成する材料は、高い電気伝導性を示すとともに、薄膜における可視光線透過率の高い銀又は銀の合金であることが好ましい。なお、銀の合金としては、硫化又は塩素化の影響を受けにくく薄膜としての安定性を向上させるために、銀と金の合金、銀と銅の合金、銀とパラジウムの合金、銀と銅とパラジウムの合金、銀と白金の合金等が挙げられる。
【００２４】
透明電極１１、１２の膜厚は、透光性を維持できる限りにおいて、特段の制限はないが、良好な導電性を得るために１ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることがより好ましく、一方、光透過率が低下して光電変換層に入射する光量が低下するのを防ぐために、１５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。
非透明電極１３は、非透明電極として透光性を有さない限りにおいて、特段の制限はないが、良好な導電性を得るために１ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることがより好ましく、一方、可撓性を維持する観点から、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
透明電極１１、１２及び非透明電極１３の形成方法は、特段の制限はなく、使用する材料に合わせて公知の方法により形成することができる。コーティングにおける膜形成ステップとしては、例えば、蒸着法、スパッタ法等の真空法、又はナノ粒子や前駆体を含有するインクを塗布する湿式法が挙げられる。なお、下部電極及び上部電極に対して表面処理を行うことにより、電気特性や濡れ特性等を改良してもよい。
【００２６】
＜基材１６＞  
太陽電池素子は、通常基材上に形成され、基材により支持される。基材１６の材料は、特段の制限はなく、石英基板、ガラス基板、金属に絶縁性を付与した基板、樹脂基材等が挙げられる。なかでも基材は、変形に対して或る程度、耐熱性を有することが望まれるために、融点が８５℃以上の材料により形成されることが好ましい。また、太陽電池モジュールの設置の自由度という観点から、軽量であり、かつフレキシブルな樹脂基材が好ましい。具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリエチレンナフタレーと（ＰＥＮ）が好ましい。
【００２７】
＜封止材層１７＞
太陽電池モジュール１００は、耐衝撃性の向上のために、封止材層１７により封止された構造であることが好ましい。太陽電池の保護のため、更に、表面保護層（図示せず）及び／又は裏面保護層（図示せず）を有してもよい。
【００２８】
封止材層の材料には、全光線透過率が比較的高い樹脂材料が好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、プロピレン−エチレン−α−オレフィン共重合体などのポリオレフィン樹脂、ブチラール樹脂、スチレン樹脂、エポキシ樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、合成ゴム等を使用することができ、これらの１種以上の混合体、若しくは共重合体を使用できる。なお、これらの樹脂材料を架橋して用いてもよい。  
【００２９】
封止材層１７の厚さは、特段限定されないが、通常１０μｍ以上であり、２０μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることがより好ましい。一方、１０００μｍ以下であることが好ましく、８００μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００３０】
封止材層１７は、多くの太陽光を薄膜太陽電池セルに供給する観点から、太陽光透過率は、通常８０％以上、好ましくは８５％以上である。上限は特に限定されないが、通常９９％以下である。太陽光透過率の測定方法は、例えば、ＪＩＳ  Ｋ  ７３６１−１による。  
【００３１】
表面保護層の材質としては、ガラス、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリスチレン、環状ポリオレフィン、ポリブチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のポリオレフィン、等が挙げられる。好ましくは、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂が挙げられる。  
【００３２】
表面保護層の厚さは通常０．０２ｍｍ以上である。好ましくは０．０３ｍｍ以上であり、より好ましくは０．０５ｍｍ以上である。一方上限は特段限定されないが、通常２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下、更に好ましくは０．３ｍｍ以下である。上記範囲とすることで、耐衝撃性と軽量性を両立することができる。
なお、表面保護層の受光面側に更に表面保護シートを有してもよいが、薄膜太陽電池モジュールが屋外に配置されない場合には、表面保護シートはなくてもよい。
【００３３】
裏面保護層としては、表面保護層と同様の層を用いることができる。
また、光電変換層の材料として有機半導体化合物を用いた有機太陽電池セルの場合、水分や酸素等により素子が劣化しやすい傾向がある。そのため、表面保護層及び／又は裏面保護層にバリア機能を持たせることが好ましい。具体的には、上記の樹脂材料を用いた樹脂層に酸化ケイ素膜等の無機層を積層させることによりバリア性の機能を付加することができる。
【００３４】
また、太陽電池素子の下部電極又は上部電極に、通常、集電線（図示せず）を電気的に接続することで、光電変換層において発電した電気を取り出すことができる。
集電線の材料としては、金属や合金などが挙げられ、中でも抵抗率の低い銅やアルミ、銀、金、ニッケルなどを用いることが好ましく、銅やアルミが安価であることから、特に
好ましい。また、錆防止のため、集電線の周囲をスズや銀などでメッキしたり、表面を樹脂などでコートしてあったり、フィルムをラミネートしてあってもよい。集電線の形状としては、例えば、平角線、箔、平板、ワイヤ状等が挙げられるが、接着面積の確保などの理由から、平角線や、箔、平板状のものを用いることが好ましい。また、集電線を電気取出端子として使用することができるため、平板状であることがより好ましい。  
【００３５】
なお、本明細書において「箔」は厚みが１００μｍ未満のものをいい、「板」は厚みが１００μｍ以上のものをいう。また「平角線」とは、断面が円形のワイヤを圧延して、断面の形状を四角形にしたものをいう。  
【００３６】
また、本実施形態においては、表面保護層及び／または裏面保護層のさらに外側（保護層を設けない場合であっても同様の側）に、着脱可能な遮光層を設けてもよい。例えば前述の窓に相当する位置に設置した場合、外光の方が発電に有利な場合は、室外側に遮光層（例えば遮光カーテンのようなもの、発電可能な波長をカットできればよいので、すべての波長を遮る必要はない）を設けることにより、室内光での発電により室外光での発電を阻害することが無いようにすることができ、好ましい。また曇りや雨の日、夜間の様な室内光の方が発電に有利な場合には、室外側に遮光層を設けることが、発電効率の点で好ましい。これら遮光層は着脱式、ないし可動式に設けることができる。またこの遮光層の着脱は、光センサを設けることにより、自動で行ってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１００  太陽電池モジュール
１０  太陽電池セル
１１  第一透明電極
１２  第二透明電極
１３  非透明電極
１４  第一光電変換層
１５  第二光電変換層
１６  基材
１７  封止材層
２０  ガラス窓
２１  影
【図１】
2020161766.tif 000003
【図２】
2020161766.tif 000004
【図３】
2020161766.tif 000005