(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池素子を層状に積み重ねて形成した多重接合型太陽電池の受光面上に、
透過率制御層が形成されるとともに、
前記太陽電池素子に設けられた電極層と電気的に接続された制御ＩＣが該太陽電池素子に隣接させて形成されて、
前記透光率制御層の透光率が、前記制御ＩＣにより、設置当初の最高出力量が経年後における予め定めた所定の出力量になるよう透光率が制御され、前記制御ＩＣは、該透光率を第一の透光率として、経年的に、透光率が第一の透光率から大きくなるよう透光率制御層を制御することを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記太陽電池における透光率制御層は、前記複数の太陽電池素子の層間に形成されて、前記制御ＩＣにより、各々の透光率制御層における透光率が、経年的に、小さな状態から大きくなるように前記制御ＩＣにより制御されることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
前記太陽電池における透光率制御層は、
前記透明電極層に接合される偏向板と、
該偏向板に接合される透明電極層と、
該透明電極層と接合され２つの配向層に挟まれる液晶層と該液晶層に接合される透明電極層と、
該透明電極層に接合される偏向板とにより構成され、
前記制御ＩＣと前記透光率制御層における前記透明電極層とが電気的に接続されて、
前記制御ＩＣにより前記液晶の配向を変化させることにより透光率を制御するよう構成しされたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内何れか一項に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特に太陽電池における出力変動の緩和機能を有した太陽電池に係る。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の構造としては、従来から種々構造が開示されている。例えば、特許文献１においては、複数の導電性基板上に形成した太陽電池素子を集積化した太陽電池モジュールが記載されている。該太陽電池モジュールに用いられる太陽電池素子は、導電性基板１０６上に金属電極層１０８、半導体層１０９、透明電極層１１０を順次形成した構造となっている。
【０００３】
特許文献２においては、より高効率な太陽電池の例として、複数個の太陽電池素子を一つの素子内に作りこんだ構造を有する多重接合型の太陽電池が記載されている。この太陽電池は、半導体接合を有する素子として、一導電型の第１不純物半導体層と、該一導電型とは逆導電型の第２不純物半導体層と、前記第１不純物半導体層と前記第２不純物半導体層との間を貫通する結晶領域を非晶質構造の中に含む半導体層とを有して、光電変換装置を構成したものである。
【０００４】
さて、太陽電池が設置される場所は、基本的に日照量が多く見込まれる場所であることが多い。産業的には砂漠などの日照条件のよい広大な土地が確保できる場所に集中的に設置されたり、個人需要としては住宅の屋根の上などに設置されることが多い。
【０００５】
太陽電池は、一旦設置されると、１０年程度或いはそれ以上使用されることが多い。太陽電池は太陽光の照射を受けて、光電効果の一種である光起電力効果により光エネルギーを電気に変換するものであり、その変換材料として半導体を用いる。長期的に見た場合、該半導体の劣化に伴い前記変換の効率が低下し、太陽電池の性能に影響を及ぼす。
【０００６】
半導体の劣化要因としては、例えば、強い光が長期間に亘って照射されることが挙げられる。強い光が照射されると、太陽電池に用いる半導体中のダングリングボンド（未結合手）が増加し、該半導体中の格子欠陥密度が増加することにより導電率が低下し、太陽電池としての出力が低下していく。また、太陽電池は屋外で使用されるために、日照とともに太陽電池の温度が上昇し、高温になってくると（約７０度〜８０度）前記半導体のバンドギャップ（禁制帯幅）が減少することにより、太陽電池の出力電圧が低下することがある。
【０００７】
そこで、経時変化に対して安定な光起電力素子を提供するものとして、例えば、特許文献２に記載されたものがある。特許文献３は、太陽電池の半導体層を、有機半導体であるポリシラン化合物を用いて構成し、さらに屈折率調整剤を前記有機半導体層の膜圧方向に沿って予め分布させたうえで構成したことが記載されている。
【０００８】
屈折率調整剤としては、CaF2，LiF等の無機化合物、Be，Mg等の金属、エボナイト、こはく等の有機化合物、合成樹脂が用いられ、これらを粉体又は超微粒子の形で前記ポリシラン化合物中に単独又は混合して前記有機半導体層の膜圧方向に沿って分布させることにより、比較的広範囲の波長成分の光を吸収できる様になり、経時変化に対して安定な光起電力素子を提供できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平３−２３９３７７号公報  第２図
【特許文献２】特開２０１０−１０６６７号公報
【特許文献３】特開平４−１９９６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような光起電力素子においては、従来の光起電力素子と比べて経時変化に対する光劣化が減少することが期待できる。しかしながら、光劣化の速度を遅らせるものであるから、長期間における光起電力の性能維持という観点で見た場合には、設置当初の状態からは徐々に半導体の劣化が進むことにより、それに応じて徐々に光起電力の低下が生ずることは避けられないものである。
【００１１】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、太陽電池としての最高出力を長期間に亘り一定に保持する太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る太陽電池は、上述の課題を解決すべく構成されたもので、
複数の太陽電池素子を層状に積み重ねて形成した多重接合型太陽電池の受光面上に、
透過率制御層が形成されるとともに、
前記太陽電池素子に設けられた電極層と電気的に接続された制御ＩＣが該太陽電池素子に隣接させて形成されて、
前記透光率制御層の透光率が、前記制御ＩＣにより、設置当初の最高出力量が経年後における予め定めた所定の出力量になるよう透光率が制御され、前記制御ＩＣは、該透光率を第一の透光率として、経年的に、透光率が第一の透光率から大きくなるよう透光率制御層を制御することを特徴として多重接合型太陽電池を構成するとよい。
【００１３】
かかる構成によれば、多重接合型太陽電池を設置して使用を開始すると、該太陽電池に用られる半導体は経時的に劣化が進み、該劣化に伴い最高出力が低下していくが、経時的に徐々に透光率制御層における透光率を小さな状態から大きくなるように制御することにより、設置当初と経年後における最高出力を一定に保持することができる。
【００１４】
また、本発明に係る太陽電池における透光率制御層は、前記複数の太陽電池素子の層間に形成されて、前記制御ＩＣにより、各々の透光率制御層における透光率が、経年的に、小さな状態から大きくなるように前記制御ＩＣにより制御されることを特徴して多重接合型太陽電池を構成してもよい。
【００１５】
かかる構成によれば、多重接合型太陽電池に用いる半導体の劣化特性に合わせて透光率を制御できるようになるため、きめ細かく制御を行うことができ、多重接合型太陽電池に適した制御を行える。これにより、設置当初と経年後における最高出力を一定に保持しやすくできる。
【００１６】
削除
【００１７】
また、太陽電池に用いられる半導体における経年的な劣化を予め見込んだ出力量に当初の最高出力を設定することができ、太陽電池の経年後における最高出力を所定値に保持することができる。
【００１８】
また、本発明に係る太陽電池における透光率制御層は、前記透明電極層に接合される偏向板と、該偏向板に接合される透明電極層と、該透明電極層と接合され２つの配向層に挟まれる液晶層と該液晶層に接合される透明電極層と、該透明電極層に接合される偏向板とにより構成され、前記制御ＩＣと前記透光率制御層における前記透明電極層とが電気的に接続されて、前記制御ＩＣにより前記液晶の配向を変化させることにより透光率を制御するよう構成してもよい。
【００１９】
かかる構成によれば、太陽電池素子における半導体層の形状や大きさに応じて透光率制御層を形成しやすく、また、液晶は電圧の印加によりその分子の配向を連続的に変化させやすいから経時的な透光率の制御を行いやすい。
【発明の効果】
【００２０】
以上の如く、本発明によれば、透光率制御層を、経時的な半導体の劣化を見越し、透光率が小さな状態から大きくなるように制御して、多重接合型太陽電池素子における半導体に照射される光量を徐々に増加させていくことにより、太陽電池としての最高出力を長期間に亘り一定に保持できる多重接合型太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態を示す太陽電池素子の概略構成図を示す。
【図２】同実施形態に係る透光率制御層の概略構成図を示す。
【図３】同実施形態に係る経時的な透光率の制御の仕方を示す。
【図４】太陽電池に係る出力電流と出力電圧の特性図を示す。
【図５】第２の実施形態を示す太陽電池素子の概略構成図を示す。
【図６】同実施形態に係る経時的な透光率の制御の仕方を示す。
【図７】第２の実施形態を示す太陽電池素子の概略構成図を示す。
【図８】太陽電池を複数接続して設けた図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に本発明の実施形態を図１乃至図５を用いて詳細に説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
（太陽電池の説明）
図１は、本発明における太陽電池の第１の実施形態を示した概略構成図である。図１は、太陽電池１における層状構成をなす太陽電池素子の断面を示したもので、該太陽電池素子は、導電性基板１０１上に層状に形成される。該導電性基板１０１上には、金属電極層１０２と、該金属電極層１０２と接合される半導体層１０３と、該半導体層１０３と接合される透明電極層１０４と、該透明電極層１０４と接合される透光率制御層１０５とが順次層状に形成される。
【００２４】
前記半導体層１０３は、バンドギャップの異なるｐｎ接合素子を光の進行方向に積み重ね、複数個積層させて構成したものである。図１においては、半導体層として３層（１０３１，１０３２，１０３３）の半導体により構成している。この半導体層１０３は、光の入射があったときに、短波長側の光から順次各層の半導体層１０３３，１０３２，１０３１によって吸収され、それぞれのバンドギャップに見合った電圧を発生する。発生した電圧は、各々の半導体層の層間に設けられる透明電極を介して伝えられる。
【００２５】
前記層を成すｐｎ接合素子としては、ＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの組み合わせや、アモルファスＳｉとアモルファスＳｉＧｅの組み合わせなど、種々想定される。
【００２６】
前記導電性基板１０１上には、前記透光率制御層１０５を制御するための制御ＩＣ１０６が配設され、該制御ＩＣ１０６は、前記透明電極層に設けられた集電電極１０７と、前記金属電極層１０２とに電気的に接続されて電源を得る。該制御ＩＣは、時間カウント機能と、時間カウントに応じて、後述する透光率制御層に出力する出力電圧を変化させる機能を備えたものである。
【００２７】
前記透光率制御層１０５は、前記半導体層１０３に照射される光の透過率の大小を制御するもので、これにより前記半導体層１０３への太陽光の照射量の大小が制御される。本実施例では、電圧を印加することにより分子の配向を変化させる液晶を用いて構成している。
【００２８】
（透光率制御層の説明）
図２に、前記透光率制御層１０５の概略構成図を示した。図２は、透光率制御層１０５の断面を示したもので、該透光率制御層１０５は、前記透明電極層１０４上に層状に形成される。透光率制御層１０５は、前記透明電極層１０４に接合される偏光板１０５１と、該偏光板１０５１に接合される透明電極層１０５２と、該透明電極層１０５２と接合され２つの配向層１０５３、１０５４に挟まれる液晶層１０５５と該液晶層１０５５に接合される透明電極層１０５６と、該透明電極層１０５６に接合される偏光板１０５７とにより層状に形成される。
【００２９】
前記透光率制御層１０５における透明電極１０５２、１０５６は、前記制御ＩＣ１０６と電気的に接続される。前記液晶１０５５は、制御ＩＣ１０６から電源の印加状態を制御されることにより該液晶１０５５の配向を変化させられる。
【００３０】
（制御の説明）
次に、図３を用いて、前記制御ＩＣ１０６による前記透光率制御層１０５の制御のさせ方を説明する。図３には、経時的にみた太陽電池１の最高出力の変化の状態を示している。横軸が期間、縦軸が最高出力Ｐである。なお、ここで用いる最高出力Ｐは、図４に示した太陽電池の出力特性を示した図における、Ｖｐ（出力電圧）、Ｉｐ（出力電流）の積が最大になる部分の出力Ｐとする。また、Ｖｏは開放電圧、Ｉｏは短絡電流である。
【００３１】
設置当初の太陽電池の最高出力をＰｏとし、経時的要素として、例として期間を１０年と見た場合に、１０年後の最高出力をＰＢ、太陽電池を構成する半導体の劣化に伴う最高出力の低下分をΔＰ（デルタＰ＝Ｐｏ−ＰＢ）とする。太陽電池としての最高出力を経時的に一定に保持するためには、設置当初における最高出力をＰＢに制御すればよい。
【００３２】
ここで、設置当初における透光率をτｏ、前記１０年後における透光率を第一の透光率τＢとした場合に、該第一の透光率τＢは、前記透光率制御層１０５における透光率を最大とするものであり、τｏは、前記太陽電池１の最高出力が、前記Ｐｏから、前記ΔＰを差し引いた出力ＰＢとなる透光率である。
【００３３】
太陽電池の出力Ｐと透光率τとの関係は、時間をｔ、Ａを定数として、透光率の時間変化に比例する、Ｐ  ∝  Ａ・τ（ｔ）と表せる。具体的には、透光率は、当初の値から、徐々に大きくなるよう制御するから、時間とともに増加するように
τ＝{（τＢ−τｏ）／（ｔＢ−ｔｏ）}・ｔ  と変化する。
τＢ、τｏ、定数Ａは、太陽電池に用いる透光率制御層としての液晶、偏光板、透明電極等の全体としての透光率を考慮する必要があるから、１０年後のＰＢと合わせて適宜定める。
【００３４】
制御ＩＣ１０６は、太陽電池における当初の最高出力が、当初の最高出力Ｐｏから半導体の経時的な劣化に伴う出力低下に伴う出力低下分を差し引いた出力ＰＢになるよう、夫々の透光率を制御するよう透光率制御層に電圧を供給する制御を行う。
【００３５】
また、前記制御ＩＣ１０６における透光率制御層１０５の制御のさせ方として、該透光率制御層１０５における、配向層に挟まれる液晶の特性、即ち、液晶分子の配向のさせ方により、電圧を印加しないときに透光率が大きくなるもの、電圧を印加するときに透光率が大きくなるもの等の特性に応じて、経時的に見た場合、印加する電圧を徐々に小さくしていく場合、印加する電圧を徐々に大きくしていく場合が想定される。このような場合には、太陽電池の出力Ｐから、制御ＩＣ駆動用の電源、透光率制御層の制御用電源の大きさの経時的変化を加味し、前記１０年後の出力ＰＢを設定するとよい。
【００３６】
なお、期間は１０年を例に挙げたが、製品としての太陽電池の出力を保証する期間や、太陽電池の取替推奨期間を想定して、１５年、５年など適宜想定する期間を定めて、そのときの出力ＰＢに応じて、透光率の変化をさせるよう制御を行うとよい。
【００３７】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について、図５を用いて説明を行う。第１の実施形態との違いは、前記透光率制御層１０５Ａ，１０５Ｂが、半導体層１０３１と１０３２，１０３２と１０３３の層間に夫々設けられて構成された点である。夫々の透光率制御層１０５Ａ，１０５Ｂにおける透明電極は、前記制御ＩＣ１０６と電気的に接続されて、該制御ＩＣ１０６からの電源の印加状態を制御されることにより液晶の配向を変化させられる。
【００３８】
本実施形態の場合に用いる制御ＩＣ１０６は、制御する透過率制御層に数に応じて、前述した時間カウントに応じて透光率制御層に出力する出力電圧を変化するためのチャンネルを複数備えたものが好ましい。夫々のチャンネルを時間カウントとともに独立制御することにより、半導体層として用いる半導体の劣化特性に合わせて透光率を変化させることができるから、きめ細かく制御を行うことでき、多重接合型太陽電池に適した制御を行うことができる。
【００３９】
即ち、図６に示すように、夫々の半導体層１０３１，１０３２，１０３３における１０年後の最高出力の低下分がΔＰａ，ΔＰｂ，ΔＰｃ（ΔＰｂ＜ΔＰａ＜ΔＰｃ）である場合、夫々の経時的な出力低下に合わせて透過率を変化させることができ、最適な制御を行うことができるからである。
【００４０】
制御ＩＣ１０６は、太陽電池における当初の最高出力が、当初の最高出力Ｐｏ（Ｐｏａ，Ｐｏｂ，Ｐｏｃ）から半導体の経時的な劣化に伴う出力低下に伴う出力低下分（ΔＰａ，ΔＰｂ，ΔＰｃ）を差し引いた出力ＰＢ（ＰＢａ，ＰＢｂ，ＰＢｃ）になるよう、夫々の透光率を制御するよう透光率制御層に電圧を供給する制御を行う。
【００４１】
太陽電池の出力が前記ＰＢ（ＰＢａ，ＰＢｂ，ＰＢｃ）になるときの透光率τｏ（τｏａ，τｏｂ，τｏｃ）を予め太陽電池の製造時に定めておき、透光率制御層の透光率が前記透光率τｏになるときの制御電圧を初期の印加電圧とし、制御ＩＣから透光率制御層の制御を行う。なお、光の受光面から見て、下方の層における透過率は、太陽電池に用いる透光率制御層としての液晶、偏光板、透明電極、半導体等の全体としての透光率を考慮する。
【００４２】
制御ＩＣには、これら半導体層毎における当初印加電圧、印加電圧の経時的な対応データ等を記憶する記憶部を設けて構成し、経時的にこれらのデータを記憶部から読み出して夫々制御を行うとよい。
【００４３】
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態について、図７を用いて説明を行う。第１、第２の実施形態との違いは、前記制御ＩＣ１０６の電源を、多重接合をなす一部の半導体層から供給し、他の多重接合をなす半導体層により発生した電源を用いない点である。図７の場合には、光の受光面から見て、一番下側の半導体層から制御ＩＣ用の電源を取得する例を示している。
【００４４】
この場合には、制御ＩＣ用の電源と、太陽電池として外部に供給するための電源を分けているから、例えば、長期的に見た場合に制御ＩＣの制御不良や、半導体層の不良により、正常に発電や制御ができなくなった場合に、半導体層全てから電源を供給する場合に比べて、不具合の波及を防ぐことができる。
【００４５】
（制御対象となる太陽電池の種類について）
また、太陽電池に用いる半導体として、結晶系となる単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファス系となるアモルファスシリコンに代表されるＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＣｕＩｎＳｅ２等、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族などの化合物半導体、フタロシアニンなどの有機半導体を用いた太陽電池、また、湿式太陽電池に代表される色素増感太陽電池においても、本願における透光率制御層を設けて経時的に透光率を制御し、これら半導体等に照射される太陽光の大小を制御することにより、出力を制御することが可能である。この他、太陽光や照明などの光が照射されることにより発電が行われる電池であれば、太陽光や照明などの照射量を調整することにより制御が可能である。
【００４６】
また、前記導電性基板１０１上に設けた制御ＩＣ１０６について、該制御ＩＣと電極との電気的接続を微小ワイヤで接続してもよいし、導電性基板上にパターン配線を設けて接続してもよい。
【００４７】
また、太陽電池１を複数用いてモジュール化する場合には、図５に示したように太陽電池１を直列接続したり、並列接続して用いるとよい。図５（ａ）には、前記導電性基板１０１上に太陽電池１を複数形成した例を示している。それぞれの太陽電池は、前記導電性基板１０１上に形成された電極１０８にて接続されており、また、制御ＩＣ１０６はそれぞれの太陽電池に設けられている。モジュール同士を接続する場合には電極１０８を順次接続するとよい。
【００４８】
また、図５（ｂ）には、太陽電池１を複数形成し、これら太陽電池を１つの制御ＩＣにて制御する例を示している。この場合、制御ＩＣへの電源供給は一つの太陽電池から行ってもよいし、複数の太陽電池から行ってもよい。また、配線の効率化を図るため、制御ＩＣ１０６を基板の中ほどに設けている。
【００４９】
（他の例）
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５０】
例えば、第一の実施形態において、透光率制御層１０５には液晶を用いた例を示した。この液晶は、電圧の印加とともに、分子の配向が変化するものとして説明を行ったが、制御ＩＣにおける制御電力を減少させ、省電力化を図るため、例えば、電圧の印加を断っても液晶の配向状態が維持されるメモリ効果を有した強誘電性液晶を用いて構成してもよい。これにより、常に電圧を印加しておく必要がなくなり、前記１０年の間で、予め定めた所定の一定時間間隔毎に、短時間の電圧印加を行い、徐々に透光率を変化させていくことが可能である。
【００５１】
また、例として挙げた前記１０年後の出力ＰＢとして、該１０年後に見込まれる半導体の劣化に対して、所定の余裕量を設けて第一の実施形態で定めたＰＢよりもさらに低い出力量ＰＣを定めて、該ＰＣに対して、初期の透光率、経時後の透光率を定めて、制御してもよい。これにより、半導体の劣化が予想以上に進んだ場合や、経時的に透明電極層の透明度が低下した場合、また、透光率制御層の透光率が想定した変化よりも低くなった場合などにも、一定の出力は確保できるような太陽電池を構成できる。
【００５２】
また、複数の太陽電池を制御する場合において、制御する太陽電池と制御しない太陽電池を設けて、制御しない太陽電池は前記制御ＩＣ１０６の電源として用いるよう構成してもよい。
【００５３】
さらに、図５（ｃ）に示したように、制御ＩＣの回路パターンを、予め太陽電池に用いる半導体層に隣接させて作成し、太陽電池と一体化して制御ＩＣを設けてもよい。この場合は、制御ＩＣ用の電源接続のための配線を不要とでき、また、太陽電池と制御ＩＣを個別生産する場合と比較して生産の効率化が図れる。
【符号の説明】
【００５４】
１  太陽電池
１０１  導電性基板
１０２  金属電極層
１０３  半導体層
１０４  透明電極層
１０５  透光率制御層
１０５１  偏光板
１０５２  透明電極
１０５３  透明電極
１０５４  配向層
１０５５  配向層
１０５６  液晶
１０５７  偏光板
１０６  制御ＩＣ
１０７  集電電極
【図１】
0005618232.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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