(57)【要約】【課題】太陽電池モジュールの耐久性及び信頼性を向上し、かつコストを低減する。【解決手段】太陽電池モジュール１は、１枚の太陽電池セル２と太陽電池セル２毎に取り付けられたＤＣ／ＤＣコンバータ３からなる単セルコンバータ４を複数並列接続して構成される。そして、その電気出力は接続箱５７で集められて連系インバータ５６に入力される。【選択図】　図２
2004055603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セル及び該太陽電池セルの出力電力を変換する電力変換器からなる単セルコンバータを複数有し、
前記複数の単セルコンバータが、並列に接続され、１つの外囲体内に封止されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記電力変換器が、対応する太陽電池セルの非受光面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記外囲体が外郭導体部を含み、前記複数の単セルコンバータが、前記外郭導体部上に設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記電力変換器が、前記太陽電池セルから出力された直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、スイッチング素子を利用した昇圧回路を含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記スイッチング素子を、固定ＤＵＴＹ及び固定周波数でスイッチングする制御回路を含むことを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、絶縁トランスを使用したプッシュプル回路を含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項８】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、昇圧チョッパー回路を含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項９】
前記電力変換器が、前記太陽電池セルから出力された直流電力を交流電力に変換するインバータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１０】
前記インバータは、前記太陽電池セルから出力された直流電力を商用交流電力に変換することを特徴とする請求項９に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１１】
出力端子としてコンセントプラグを備えることを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを複数並列に接続したこと特徴とする太陽電池アレイ。
【請求項１３】
請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを複数有し、
前記複数の太陽電池モジュールから出力された電力を商用交流電力に変換するインバータを備えること特徴とする太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池モジュール、太陽電池アレイ、及び太陽光発電システムに関し、特に、信頼性及び耐久性を向上させることのできる太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化石燃料の使用に伴う二酸化炭素等の排出による地球温暖化や、原子力発電所の事故や放射性廃棄物による放射能汚染などの問題が深刻となり、地球環境とエネルギに対する関心が高まっている。このような状況の下、無尽蔵かつクリーンなエネルギ源として太陽光を利用する太陽光発電、地熱を利用する地熱発電、風力を利用する風力発電等が世界中で実用化されている。
【０００３】
このうち、太陽電池を利用した太陽光発電の形態としては、数Ｗから数千ｋＷまでの出力規模に応じた種々の形態がある。太陽電池を使用した代表的なシステムとしては、太陽電池によって発電された直流電力をインバータ等により交流電力に変換（直交変換）して需要家の負荷や商用電力系統（以下、単に「系統」とも呼ぶ）に供給する太陽光発電システムがある。
【０００４】
このような太陽光発電システムに使用される太陽電池の構成としては、複数の太陽電池セルを直列接続してモジュール化したものや、このようなモジュールにインバータを加えたＡＣモジュールが使用されることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなモジュールは、複数の太陽電池セルを直列接続した構成となっているため、以下のような問題が生じる。
【０００６】
例えば、障害物などにより太陽光が遮られて日陰が生じると、日陰となった部分にあるセルは発電しない。発電しないセルには、直列接続された他の太陽電池セルの全電圧が太陽電池モジュールに接続された負荷を介して太陽電池や素子の光起電圧と逆方向に印加され、逆電流が流れることにより発熱する。これを防止するために、セル毎にバイパスダイオードを設ける方法もあるが、モジュール及びシステムのコストが上昇してしまう。
【０００７】
また、セルを直列接続するために、セル間に発電に利用されない非発電領域を設ける必要があるため、太陽電池モジュールの面積発電効率を大きくするのが困難である。
【０００８】
更に、例えば、導電性基板を負極として利用する太陽電池セルを使用した場合において、直列接続された太陽電池セルの導電性基板と太陽電池モジュールの外郭導体部との間の封止材にピンホールが生じてそこに雨水が入り込んだ際には、太陽電池セルと太陽電池モジュールの外郭導体部とが雨水を介して導通状態となる。
【０００９】
このような状態となると、太陽電池モジュールの外郭導体部を介して隣接する太陽電池モジュールに漏洩電流が流れ、この電流により太陽電池モジュールの外郭導体部が腐食する場合がある。
【００１０】
この腐食のメカニズムについて、図９Ａ〜９Ｃを参照して詳細に説明する。
【００１１】
図９Ａは、太陽電池セルの概略構成を示す断面図である。３０１は太陽電池セル、３０２は導電性の太陽電池セル基板、３０３は下側が負極で上側が正極となっている半導体層であり、この半導体層３０３の正極上面には透明導電膜（不図示）が存在し、負極下面には、裏面反射層（不図示）が設けられている。
【００１２】
半導体層３０３で発電された電力の正極側は半導体層上面から図示しない透明電極、集電電極３０８によって集電され、正極端子３０５に出力される。半導体層３０３の負極側は、基板３０２を介して負極端子３０４から出力される。また、３０６は絶縁膜である。
【００１３】
このような、いわゆる導電性基板を負極として用いる構造を持つ太陽電池セルにおいては、絶縁膜３０６にピンホールが発生した場合には太陽電池セルの負極である基板３０２が一部露出する事になる。
【００１４】
つまりこのような構造においては、太陽電池セル内の電路において、外部との絶縁距離がもっとも短く、かつ大面積であるのはセルの負極である太陽電池セルの基板３０２であり、何らかの理由で絶縁膜３０６にピンホールが発生すると、長い時間をかけて封止材料を透過した水分がピンホールに入り込むことがある。一度入り込んだ水はなかなか抜けないため長期に渡り、太陽電池セルの負極と太陽電池モジュールの外郭導体部３０７間に電路が形成されることとなる。
【００１５】
図９Ｂは、図９Ａに示した太陽電池セル３０１を４枚外郭導体部３０７に直列接続して取り付けた太陽電池モジュールを示しており、図９Ｃは、図９Ｂの太陽電池モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【００１６】
４枚の太陽電池セル３０１−１〜３０１−４は、太陽電池セル３０１−１の正極端子に３０１−２の負極端子を、３０１−２の正極端子に３０１−３の負極端子を、３０１−３の正極端子に３０１−４の負極端子を接続し、４枚の直列接続されている。
【００１７】
また、図９Ｂ及び９Ｃでは説明の便宜上、３０１−１の負極端子をＡ点、３０１−２の負極端子をＢ点、３０１−３の負極端子をＣ点、３０１−４の負極端子をＤ点、３０１−４の正極端子をＥ点とする。
【００１８】
ここで、太陽電池セル３０１−２と、太陽電池セル３０１−４の絶縁膜３０６にピンホールが発生し、そこに雨水が入り込んだ場合を想定する。
【００１９】
この時基板３０２−４と太陽電池モジュールの外郭導体部３０７、及び基板３０２−２と太陽電池モジュールの外郭導体部３０７は雨水を介して導通状態となる。すると図９Ｃに示すようにＢ点とＤ点が太陽電池モジュールの外郭導体部３０７を介して短絡した状態となる。言い換えると、［太陽電池セル３０１−４の負極］→［雨水］→［太陽電池モジュールの外郭導体部３０７］→［雨水］→［太陽電池セル３０１−２の負極］→［太陽電池セル３０１−２］→［太陽電池セル３０１−３］→［太陽電池セル３０１−４負極］の経路で、電流経路が形成される。
【００２０】
その結果、Ｅ点は太陽電池モジュールの外郭導体部３０７に対してプラス電位になり、Ｅ点では酸化反応、Ｅ点に対向する太陽電池モジュールの外郭導体部３０７では還元反応が促進される。同様にＢ点は、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７に対してマイナス電位となり、今度はＢ点に対向する太陽電池モジュールの外郭導体部３０７で酸化反応、Ｂ点では還元反応が促進される。
【００２１】
このような太陽電池モジュールの場合、太陽電池セルの負極である導電性基板はＳＵＳやＡＬ等で構成され、太陽電池セル同士の配線にはＣｕが使用され、太陽電池の裏面反射層の一部にはＡｇ，ＺｎＯ等が使用される。
【００２２】
Ｂ点及びＥ点はこれらの材料で構成されることとなるので、上記酸化反応が促進される部分では、酸化物でないもの、すなわち上記ＳＵＳ、ＡＬ、Ａｇ、Ｃｕに腐食等の悪影響がでる。一方還元反応が促進される部分では、ＺｎＯの接着力が無くなり膜剥がれ等の悪影響がでる。また、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７は、通常ＦｅやＡＬが主成分である材料が使用されるため、酸化反応が促進される部分で腐食等の悪影響が発生する。
【００２３】
上記の例では太陽電池モジュール１枚に２箇所ピンホールが発生した例を示したが、上記のような構成の太陽電池モジュールを複数設置されているとき、異なる太陽電池モジュールにそれぞれ１箇所ずつピンホールが発生しても同様のケースが発生する。以下にその代表的ケースを示す。
【００２４】
図１０Ａは、太陽電池セル３０１−５〜８を４枚、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−２に直列接続して取り付けたモジュール３１１と、太陽電池セル３０１−９〜１２を４枚、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−３に直列接続して取り付けたモジュール３１２を並列接続した構成を示しており、図１０Ｂは、図１０Ａの電気的接続を模式的に示した図である。
【００２５】
ここで、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−２と太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−３は大地に接地されており、大地を通じて電気的に導通している。
【００２６】
図９Ｂ及び９Ｃに関する説明と同様に、説明の便宜上、モジュール３１１に関しては、３０１−５の負極端子をＦ点、３０１−６の負極端子をＧ点、３０１−７の負極端子をＨ点、３０１−８の負極端子をＩ点、３０１−８の正極端子をＪ点とする。一方、モジュール３１２に関しては、３０１−９の負極端子をＫ点、３０１−１０の負極端子をＬ点、３０１−１１の負極端子をＭ点、３０１−１２の負極端子をＮ点、３０１−１２の正極端子をＮ点とする
本例においては、太陽電池モジュール３１１と３１２を並列接続した例を想定しているのでＦ点とＫ点、及びＪ点とＯ点は配線部材で接続される。
【００２７】
ここで、太陽電池モジュール３１１においては太陽電池セル３０１−８のＩ点、太陽電池モジュール３１２においては太陽電池セル３０１−１０のＬ点にピンホールが発生し、そこに水が入り込んだ場合を想定する。
【００２８】
この時、太陽電池セル３０１−８の基板３０２と太陽電池モジュールの外郭導体部３０７、及び太陽電池セル３０１−１０の基板３０２と太陽電池モジュールの外郭導体部３０７が雨水を介して導通状態となる。
【００２９】
すると図１０Ｂに示すようにＩ点とＬ点が外郭導体部３０７−２と大地、そして外郭導体部３０７−３を通り、雨水を介して導通した状態となり、電位の高いＩ点から電位の低いＬ点に漏洩電流が流れ続けることとなる。
【００３０】
言い換えれば、［太陽電池セル３０１−８の負極］→［水］→［太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−２］→［大地］→［太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−３］→［水］→［太陽電池セル３０１−１０の負極］の経路で電流が流れつづける。
【００３１】
その結果、Ｉ点は太陽電池モジュールの外郭導体部３０７に対してプラス電位になり、Ｉ点では酸化反応、Ｉ点に対向する太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−２では還元反応が促進される。同様にＬ点は、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−３に対してマイナス電位となり、今度はＬ点に対向する太陽電池モジュールの外郭導体部３０７で酸化反応、Ｌ点では還元反応が促進される。
【００３２】
このような太陽電池モジュールの場合、太陽電池セルの負極である導電性基板はＳＵＳやＡＬ等で構成され、太陽電池セル同士の配線にはＣｕが使用され、太陽電池の裏面反射層の一部にはＡｇ，ＺｎＯ等が使用される。
【００３３】
Ｉ点及びＬ点はこれらの材料で構成されることとなるので、上記酸化反応が促進される部分では、酸化物でないもの、すなわち上記ＳＵＳ、ＡＬ、Ａｇ、Ｃｕに腐食等の悪影響がでる。一方上記還元反応が促進される部分では、ＺｎＯの接着力が無くなり膜剥がれ等の悪影響がでる。また、太陽電池モジュールの外郭導体部３０７−２及び３０７−３は、通常ＦｅやＡＬが主成分である材料が使用されるため酸化反応が促進される部分で腐食等の悪影響が発生する。
【００３４】
以上のような問題は、太陽電池セルを直列接続した太陽電池モジュールを、更に直列接続してアレイを構成する太陽電池アレイにおいては高電圧部分が多数存在するので、更に大きな問題となる可能性がある。
【００３５】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、耐久性及び信頼性を向上し、かつ低コストの太陽電池モジュール、太陽電池アレイ、及び太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の一実施形態としての太陽電池モジュールは、太陽電池セル及び該太陽電池セルの出力電力を変換する電力変換器からなる単セルコンバータを複数有し、
前記複数の単セルコンバータが、並列に接続され、１つの外囲体内に封止されている。
【００３７】
このような構成とすることにより、一部の太陽電池セルが日陰となっていても、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルに逆電圧が加わる恐れがない。このため、セル毎にバイパスダイオードを設ける必要がなくなり、コストを低下できる。
【００３８】
また、太陽電池セル同士を直列接続する際に用いていた電気接続部材を太陽電池セル間のギャップに配置する必要がなくなる。このため、太陽電池セル同士のギャップを大幅に小さくすることができるので、太陽電池モジュールの面積発電効率を大きくすることが可能となる。
【００３９】
その上、各太陽電池セルに高い電位を有する部分が存在しなくなると共に、太陽電池セル間の電位差がほとんどなくなる。このため、たとえピンホールが発生してそこから水分が侵入しても、太陽電池モジュールの外郭などに漏洩電流が流れることがほとんど無くなる。その結果、太陽電池モジュールの外郭部や太陽電池セルの電食を防止することができるため、太陽電池モジュールの耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【００４０】
更に、太陽電池モジュール内の配線部分に流れる電流値が小さくなるので、終電電極や正極端子のサイズを小さくでき、太陽電池モジュールのコストを低減し、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００４１】
この場合、電力変換器が、対応する太陽電池セルの非受光面に取り付けられていると、透光性の高い高価な受光面側の樹脂の使用量を減らすことが可能であり、コストダウンができる。また、受光面側の樹脂の使用量が減るので、樹脂に吸収される太陽光エネルギーが減少し、太陽電池モジュールのエネルギー変換効率を向上させることができる。加えて、ピンホールに対する信頼性も向上する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽電池モジュール及び該太陽電池モジュールを使用した太陽光発電システムの好適な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る太陽電池モジュールを使用した太陽光発電システムの概略構成を示しており、太陽電池モジュール１によって発電された電力を接続箱を介して連系インバータに接続して商用系統への電力逆潮流を行うよう構成されている。
【００４４】
以下図１の太陽光発電システムの構成を簡単に説明する。商用系統５１は電路を介して家庭用分電盤５３に接続されており、商用系統５１と家庭用分電盤５３の間には売買電メータ箱５２が設置されている。その内部には、電路から家庭内負荷５４に供給される電力量を積算する買電電力メータ、太陽電池モジュール１から商用系統５１に逆潮流される電力量を積算する売電電力メータが直列に接続されている。
【００４５】
家庭用分電盤５３は、複数の家庭用コンセント５５に分岐接続されている。また、家庭用分電盤５３には連系インバータ５６が接続されている。本実施形態の太陽電池モジュール１より出力される直流電力は、接続箱５７で集電した後に連系インバータ５６に入力され、連系インバータ５６では入力された直流電力を商用交流電力に変換して家庭用分電盤５３に逆潮流電力として出力する。
【００４６】
図２は、本実施形態の太陽電池モジュール１の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の太陽電池モジュール１は、１枚の太陽電池セル２と太陽電池セル２毎に取り付けられたＤＣ／ＤＣコンバータ３からなる単セルコンバータ４を複数並列接続して構成される。そして、その電気出力は接続箱５７で集められて連系インバータ５６に入力される。
【００４７】
以下、本実施形態の太陽電池モジュール１を構成する各構成要素について詳細に説明する。
【００４８】
［単セルコンバータ］
図４は、太陽電池セル２とＤＣ／ＤＣコンバータ３からなる単セルコンバータ４の横断面図を示している。太陽電池セル２は、導電性基板１０１の表面に、光電変換層１０２と絶縁テープ１０４を有し、光電変換層１０２上に設けられた集電電極１０３は絶縁テープ１０４の上に設けられた正極タブに接続されている。一方、導電性基板１０１の裏面には、導電層２０４及び絶縁層２０１を順に有している。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、導電性基板１０１裏面の導電層２０４がない部分に設けられており、導電層２０２によって導電性基板１０１の側部を経由して正極タブ１０５にも接続されている。
【００４９】
［太陽電池セル］
本実施形態の太陽電池セルとしては、直列接続されていないものであれば良く、アモルファス系、結晶系、いずれも使用できる。
【００５０】
本実施形態では、導電性基板上に半導体層としてアモルファスシリコンを含む光電変換層を積層し、集電電極と取り出し電極部分を有してなる光起電力素子を使用する。このような光起電力素子の製造方法は、例えば、光電変換層の形成については、特開平６−２１４９４号公報等、集電電極の付与については、特開平６−１３９４３９号公報等に詳細に記載されており周知である。本発明においては、光起電力素子の作成方法自体は本質的な部分ではないので、以下に簡単に記す。
【００５１】
（光電変換部の作成）
（１）導電性基板１０１となるステンレス薄板を準備する。本実施形態では厚さ０．１２５ｍｍのものを使用した。この他、導電性基板としては、ガラス基板に透明導電膜を付与したものや、ポリイミド・フィルムに金属を蒸着させたものなど、絶縁基板に導電層を付与したものも使用できる。この絶縁基板に導電性を付与したものを使用する場合には、後述する絶縁層２０１の一部として基板の絶縁基板部が使用できる。
【００５２】
（２）ステンレス薄板に裏面反射層としてアルミニウム及び酸化亜鉛薄膜をスパッタ等の方法で付与する。
【００５３】
（３）ＣＶＤ法によりアモルファスシリコン及びアモルファスゲルマニウムを含む半導体層をｎ層、ｉ層、ｐ層の順に２回繰り返して生成し、２組のｐｉｎ接合を持った光電変換層１０２を作成する。
【００５４】
（４）透明導電層として酸化錫−インジウム層を付与する。
【００５５】
（集電電極部の作成）
（５）セルを適当な大きさに切断する。本実施形態では３５６ｍｍ×２３９ｍｍに切断した。
【００５６】
（６）金属基板端部での部分的な短絡の影響を除去するために、セル端部の光電変換層の一部を化学エッチングにより除去する。
【００５７】
（７）端部に絶縁テープ１０４を貼る。その上にスズめっきされた銅箔からなる正極タブ１０５を貼り付ける。
【００５８】
（８）導電性接着剤付きの銅線からなる集電電極１０３を透明導電層及び正極タブ１０５に貼り付ける。
【００５９】
以上のようにして、太陽電池セル２が完成する。この太陽電池の標準測定状態（スペクトルＡＭ１．５、放射照度１．０ｋＷ／ｍ２、セル温度２５度）における最適動作電圧及び最適動作電流は、それぞれ１．０Ｖ、１０．０Ａであった。
【００６０】
本実施形態で、特に１つのセルに１個の電力変換回路を設ける単セルコンバータの場合、太陽電池素子としては、本実施形態で用いたような積層タイプが望ましい。これは、積層されていない太陽電池の出力電圧は高くても０．５Ｖにすぎず、この電圧で電子回路を動作させることが、一般的に困難だからである。本実施形態のように２層積層すれば１．０Ｖ以上の動作電圧を得ることができ、これは乾電池１個の起電力に相当する。このような電圧領域で動作する電子部品は入手も容易であり、回路設計が容易となるという利点を有する。
【００６１】
更に、本実施形態に用いる太陽電池は、量産効果の上げやすい薄膜大面積タイプのものが好適であり、この場合、将来的には大幅にコストダウンできる可能性がある。
【００６２】
［絶縁層］
次に絶縁層２０１を、高分子コーティングレジンを用いて構成する。このようなコーティングレジンには、エポキシ樹脂系レジン、フェノール樹脂系レジン、シリコン樹脂系レジンなど周知のものが多数ある。本実施形態では電気絶縁用として用いられるシリコン樹脂系レジンを使用した。本実施形態では刷毛で該レジンを必要箇所に塗布し、赤外線ヒータでキュアして図４に示すような絶縁層２０１を形成した。
【００６３】
この他の実現手段としてはディッピング法やコーター法を用いてレジンを塗布することができる。厚みは電力変換回路の出力電圧と樹脂の種類に応じて選ぶ必要があるが、使用電圧に対して絶縁の十分保たれる厚みが必要である。多くの樹脂で１ｍｍ程度の厚みがあれば、２００Ｖ以上の耐圧を容易に達成できることがわかっている。ここでは、出力電圧が１Ｖ程度と大変低いので１００μｍの厚みとした。この程度の厚みならば塗料系の材料も使用可能である。
【００６４】
また、絶縁層は導電性基板のみを覆うのではなく、光起電力素子全体を覆ってもかまわない。
【００６５】
［導電層］
導電層２０２，２０４としては、無電解めっき、電気配線用高導電率ペースト、蒸着膜等の方法で作成された金属膜が使用できる。本実施形態においては無電解めっきにより銅の層を前記絶縁層の表面に設け、その後、化学エッチングで不要箇所を除去し、これにより正極側導電層２０２、負極側導電層２０４を形成した。
【００６６】
図４からもわかるように導電層２０２，２０４及び絶縁層２０１は、両方とも光起電力素子裏面側に回りこませる必要があるので、蒸着を使って、比較的薄い導電層を形成する方法を採った場合には、回り込み部分で断線が生じないように十分注意を払わなければならない。また負極側導電層２０４と金属基板１０１の接続部は外れないように十分にキュアしておくことが重要である。また、導電層に電気配線用高導電率ペーストを用いると、スクリーン印刷で配線用導電層の形成ができるので、前記のような化学エッチングなしで、配線用導電層を直接生成することができ、これもまた本発明の実施に好適な方法である。
【００６７】
この導電層２０２，２０４には単セルコンバータ４を構成するＤＣ／ＤＣコンバ−タ３がはんだ付け等により実装されることになるので、導電層２０２、２０４及び絶縁層２０１には、実装作業時の熱やその他のストレスに耐えることのできる材料を選択する必要がある。
【００６８】
本実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の設置を受光面の反対側（裏面）とした。このようにすると、部品に直射日光が当たらないので、耐久性を向上させる上で有利になるうえに、太陽電池セル２への日射の妨げにならない。
【００６９】
［ＤＣ／ＤＣコンバータ］
ＤＣ／ＤＣコンバータ３は，図４に示すように太陽電池セル２と接続されて単セルコンバータ４を構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は太陽電池セル２への太陽光の入射を妨げないように太陽電池の裏面に取り付ける。また、後に述べるモジュール化を容易とするべく薄型とすることにより、外囲体に封止された太陽電池モジュールを薄型化することができる。
【００７０】
図３は、本実施形態で使用したＤＣ／ＤＣコンバータ３の構成を示すブロック図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、太陽電池セルによって発電された約１．０Ｖの電圧を昇圧回路によって昇圧し、１６０Ｖ程度の直流電圧を出力する。
【００７１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、入力端子１８、入出力のノイズフィルタ１０、１６、昇圧回路１２、入力電流検出器２２、入力電圧検出器２３、出力電圧検出器２８、昇圧制御回路１７などを構成する各部品を、あらかじめ回路パターンが形成された薄型実装基板に周知の半田付け等の技術により実装されており、更にこれを金属製の外装材に覆われた構成となっている。
【００７２】
太陽電池セル２で発電された電力は、入力端子１８より入力され、昇圧回路１２により昇圧される。
【００７３】
本実施形態の昇圧回路１２は、スイッチング素子を用いてスイッチングするスイッチング方式であるが、絶縁トランスを使用したプッシュプル回路等の方式をとってもよいし、昇圧チョッパー回路等の非絶縁回路の方式をとっても差し支えない。
【００７４】
また、このスイッチング素子に与えられるスイッチング信号は、本実施形態では固定ＤＵＴＹ、固定周波数とした。これは、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御回路を簡素化するためである。また、ＤＣ／ＤＣコンバータが高変換効率を得られるＤＵＴＹで固定とすることで、モジュール全体の変換効率を向上させることも目的としている。
【００７５】
このように本実施形態の太陽電池モジュールではＤＵＴＹ可変によるＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ；最大出力追従）制御を行わずに、後段に設けた連系インバータ５６によってＭＰＰＴ制御を行う構成とする。
【００７６】
本実施形態で使用するＤＣ／ＤＣコンバータの入力定格はＤＣ１．０Ｖ、１０Ａ（動作可能入力電圧範囲０．７Ｖ〜２．０Ｖ）、出力定格はＤＣ１６０Ｖ、５６ｍＡ（変換効率約９０％）とした。
【００７７】
なお、上述の薄型実装基板に実装される各部品は表面実装タイプの部品がのぞましい。これは、図４に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を太陽電池セル２の裏面に設置するので、薄型化がその可搬性の鍵となるからである。薄型化を実現するために、部品が実装された実装基板を外装材により囲まないで、そのまま太陽電池モジュールに封止するようにしてもよい。
【００７８】
また、実装する部品サイズを小さくするために、各部品が外装モールド樹脂被覆を持たず半導体素子が剥き出しになっている「ベアチップ部品」というものがあり、該ベアチップ部品を使用することで電力変換回路をより薄型化することが可能になる。
【００７９】
上記に示した、太陽電池セル２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３からなる単セルコンバータ４を使用して本実施形態の太陽電池モジュール１を構成する。
【００８０】
［太陽電池モジュールの製造方法］
図５の太陽電池セル１の横断面図を参照して、本実施形態の太陽電池モジュール１の作成方法を順を追って説明する。図５において、２０６は耐候性フィルム、２０３はモジュ−ルの外囲体となる外郭導体部、２０７、２０５は充填剤、４は単セルコンバータ、２０８は出力線である。
【００８１】
具体的には、耐候性フィルム２０６にはＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）を、太陽電池モジュールの外郭導体部２０３にはポリエステル樹脂コートされた０．４ｍｍ厚の鋼板を、充填剤２０７、２０５には厚さ２００μｍのＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合ポリマ、耐候性グレード）を用いる。
【００８２】
耐候性フィルム２０６、充填剤２０７、単セルコンバータ４、充填剤２０５、太陽電池モジュールの外郭導体部２０３の順に積層し、真空ラミネータを用いて、１５０℃で充填剤２０７および２０５を溶融させることにより、単セルコンバータ４を太陽電池モジュールの外郭導体部２０３および耐候性フィルム２０６で樹脂封止した太陽電池モジュール１が得られる。
【００８３】
ここで、単セルコンバータ４は、その外装材が太陽電池モジュールの外郭導体部２０３に直接接触するように配置され、各々の単セルコンバータはケーブルによって並列接続されている。太陽電池モジュールの外郭導体部２０３には並列接続された単セルコンバータ４が発生する電力を取り出すケーブル２０８を挿通するための孔が設けられている。
【００８４】
このようにして形成される太陽電池モジュール１は、所定の日射量があれば、単セルコンバータ４が発電する直流電力を集電して出力することができる。
【００８５】
［絶縁層にピンホールが発生した場合］
以下、本実施形態の太陽電池モジュールにおいて、絶縁層にピンホールが発生した場合について説明する。
【００８６】
上述のように本実施形態の単セルコンバータ４は、図４に示すように構成されている。単セルコンバータに使用される太陽電池セル２は、負極として導電性基板１０１を用いる構造となっているので、絶縁膜２０１にピンホールが発生した場合には太陽電池セルの導電性基板１０１が、単セルコンバータの外部に露出した状態となる。これにはＤＣ／ＤＣコンバータの外装材を介して外部と電気的に導通する場合も含まれる。
【００８７】
図６Ａは、４−１〜４−４の４枚の単セルコンバータを、外郭導体部２０３に直接接続して取り付けた太陽電池モジュール１を示しており、図６Ｂは、図６Ａの電気的接続を模式的に示す図である。
【００８８】
各々の単セルコンバータ４−１〜４−４は、太陽電池セル２−１〜２−４と高周波絶縁トランス内蔵のＤＣ／ＤＣコンバータ３−１〜３−４とから構成され、単セルコンバータ４−１〜４−４が全て並列接続されている。
【００８９】
ここで、例えば単セルコンバータ４−２と、単セルコンバータ４−４の絶縁膜２０１にピンホールが発生し、そこに水が入り込んだ場合を想定する。単セルコンバータの絶縁膜２０１にピンホールが発生すると、図６Ｂに示すように、太陽電池セル２−２及び２−４の負極は、太陽電池モジュールの外郭導体部２０３と電気的に導通した状態となる。
【００９０】
ここで、図６Ｂでは単セルコンバータ４を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ３は上述のように、絶縁トランスを使用した方式であるので、太陽電池セル２−２及び２−４の負極が太陽電池モジュールの外郭導体部２０３を介して短絡しても、太陽電池セル２−２及び２−４の負極と、対応するＤＣ／ＤＣコンバータ３−２及び３−４の負極（すなわち、単セルコンバータ４−２及び４−４の負極）とは、図６Ｂに示すように電気的に絶縁されている。更に、単セルコンバータ４−２と４−４との各々の負極は、太陽電池モジュール内で電気的に接続されており、もともと同電位であるので、太陽電池モジュールの外郭導体部２０３を介して電流が流れることはない。
【００９１】
このため、単セルコンバータの負極を構成する導電性基板や裏面反射層や単セルコンバータ同士をつなぐ電気接続線及び、太陽電池モジュールの外郭導体部を構成する材料での、酸化や還元反応は促進されない。
【００９２】
また、単セルコンバータ４を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ３が、図６Ｃに示すような昇圧チョッパー等の高周波絶縁トランスを使用しない昇圧方式であっても、同様に問題は生じない。例えば、単セルコンバータ４−２の負極と単セルコンバータ４−４の負極とが太陽電池モジュールの外郭導体部２０３を介して短絡したとしても、単セルコンバータ４−２と４−４との各々の負極は、図６Ｃに示されるように、太陽電池モジュール内で電気的に接続されており、もともと同電位であるので、太陽電池モジュールの外郭導体部２０３を介して漏洩電流が流れることはない。
【００９３】
すなわちこの場合にも、単セルコンバータの負極を構成する導電性基板や裏面反射層や単セルコンバータ同士をつなぐ電気接続線及び、太陽電池モジュールの外郭導体部を構成する材料での酸化や還元反応は促進されない。
【００９４】
また、図５に関して説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は太陽電池モジュール１の内部に充填材で封止されているために、太陽電池モジュール１の運搬時や設置時にＤＣ／ＤＣコンバータ３を損傷したり破損する虞がなく、耐久性や信頼性を向上することができる。
【００９５】
また、本実施形態の太陽電池モジュールにおいては、モジュール内の隣接する太陽電池セルの電位に差が無いため、配置の際にセル間距離をとる必要がなく、モジュール内における太陽電池セルの有効面積を大きくとることができる。
【００９６】
また、太陽電池セル２が発電し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が動作する際に発生する熱を、太陽電池モジュール１の外郭導体部２０３に効果的に伝達することができるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ３による発熱を効率的に拡散することができ、耐久性や信頼性が一層向上する。
【００９７】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータのケースを金属で形成することは、放熱性の観点から好ましいが、この場合、太陽電池セル→ＤＣ−ＤＣコンバータのケース→太陽電池モジュールの外郭導体部、という漏洩電流の経路が発生する。
【００９８】
この場合にも、本実施形態の太陽電池モジュールにおいては、太陽電池セル負極基板が、太陽電池モジュール外郭導体部との間に電位差が発生する部位が存在しないために、この漏洩電流経路による腐食促進の懸念も同時に防止できる。
【００９９】
更に、太陽電池セル２としてアモルファスシリコン太陽電池を用いる場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱によって太陽電池モジュールの外郭導体部２０３の温度が上昇するので、アニール効果によって変換効率の劣化の抑制が期待できる。
【０１００】
以上説明したように、本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
【０１０１】
太陽電池モジュール内に日陰となる部分が生じても、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルに逆電圧が加わる恐れがない。そのため、セル毎にバイパスダイオードを設ける必要性がなく、モジュールやシステムのコストが低減される。
【０１０２】
太陽電池セル間の電位差が非常に小さいので、太陽電池セル同士を直列接続する際に、電気接続部材を太陽電池セル間のギャップに配置する必要がなくなる。このため、太陽電池セル同士のギャップを大幅に小さくすることができる。加えて、電力変換装置を太陽電池セルの裏面に配置可能であるので、太陽電池モジュールの受光面積比率を向上させることが可能となる。
【０１０３】
太陽電池モジュールにおいて大きな面積を占有する太陽電池セルに高い電位が存在しなくなる。このため、たとえピンホールが絶縁部材に発生して水分が侵入しても、太陽電池セルの負極を形成する導電基板同士には電位差が無く、正極端子の電位差は０．５Ｖ〜２Ｖ程度であるので、太陽電池モジュールの外郭導体部に漏洩電流が流れる事がほとんど無くなる。その結果、太陽電池モジュールの外郭導体部や太陽電池セルの電食を防止することができるため、太陽電池モジュールの耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【０１０４】
個々の太陽電池セルに電力変換器を設けた単セルコンバータを並列接続してこれを１つの外囲体に封止しているため、太陽電池モジュール内の配線部分に流れる電流値を小さくできる。このため、例えば、太陽電池モジュールを１枚の単セルコンバータで形成した場合等と比較して、集電電極や正極端子の電気抵抗を下げる必要がなくなる。
【０１０５】
これは、集電電極や正極端子の幅若しくは厚みを大きくする必要が無くなることを意味し、集電電極の幅を広げたり集電電極を厚くすることによって生じる不具合を防止できる。このような不具合を具体的に説明すると、集電電極の幅を広げると集電電極によって太陽光が遮られるのでシャドウロスが増加する。また、集電電極を厚くすると太陽電池セルの表面の凸凹が大きくなり、太陽電池モジュールの受光面側の封止材料の厚さを増やす必要が生じる。これは、透明度が要求される高価な封止樹脂の使用量が増えて太陽電池モジュールのコストが高くなると共に、樹脂に吸収される太陽光エネルギーが増加して太陽電池モジュールのエネルギー変換効率を低下させることとなる。
【０１０６】
本実施形態では、終電電極や正極端子のサイズを小さくできるので、このような不具合が生じず、太陽電池モジュールのコストを低減し、エネルギー変換効率を向上させることができる。電力変換器を太陽電池セルの非受光面（裏面）側に設けると、受光面側に電力変化期を有する構成と比較して、樹脂の使用量が減ってコストが低下すると共に、太陽電池モジュールのエネルギー変換効率を向上させることができる。更にこの場合には、ピンホールに対する信頼性も向上する。
【０１０７】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下においては上記第１の実施形態と同様な部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分を中心に説明する。
【０１０８】
上記第１の実施形態は、複数の単セルコンバータを並列接続して構成した太陽電池モジュール及び該モジュールを用いた太陽光発電システムであったが、第２の実施形態は、第１の実施形態の太陽電池モジュールを並列接続して太陽電池アレイを構成するものである。
【０１０９】
図７Ａは、それぞれが４つの単セルコンバータからなる２つの太陽電池モジュールを並列接続した太陽電池アレイの構成を示す概略図である。太陽電池モジュール３１３は、４−５〜４−８の４枚の単セルコンバータを外郭導体部２０３−２に取り付けたものであり、太陽電池モジュール３１４は、４−９〜４−１２の４枚の単セルコンバータを外郭導体部２０３−３に取り付けたものである。
【０１１０】
また、図７Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータが絶縁トランスを使用した方式である場合の図７Ａの太陽電池アレイの電気的接続を模式的に示す図であり、図７Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータが昇圧チョッパーのような高周波絶縁トランスを用いない方式である場合の図７Ａの太陽電池アレイの電気的接続を模式的に示す図である。本実施形態においては、太陽電池モジュール３１３と３１４とは並列接続されており、各々の単セルコンバータ４の出力はすべて並列接続されている。
【０１１１】
ここで、太陽電池モジュール３１３においては単セルコンバータ４−８、太陽電池モジュール３１４においては単セルコンバータ４−１０に、ピンホールが発生し、そこに雨水が入り込んだ場合を想定する。
【０１１２】
この場合、図７Ｂに示すように、太陽電池モジュール３１３の単セルコンバ−タ４−８に含まれる太陽電池セルの負極と、太陽電池モジュール３１４の単セルコンバータ４−１０に含まれる太陽電池セルの負極とが、各々の太陽電池モジュールの外郭導体部と大地を介して短絡されることとなる。
【０１１３】
しかしながら、単セルコンバータ４を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ３が絶縁トランスを使用した方式であれば、図７Ｂに示すように、単セルコンバータ４−８の太陽電池セルの負極及び単セルコンバータ４−１０の太陽電池セルの負極とは、対応する単セルコンバータ４−８及び４−１０の負極とそれぞれ絶縁されているので、電位的に何の関係もなく、太陽電池モジュールの外郭導体部を介して電流が流れることはない。すなわち、活電部から金属イオンが流出し、太陽電池モジュールの外郭導体部の腐食が促進されることはない。
【０１１４】
また、単セルコンバータ４を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ３が昇圧チョッパーのような高周波絶縁トランスを用いない方式であっても、図７Ｃに示すように、単セルコンバータ４−８及び単セルコンバータ４−１０の負極は、太陽電池アレイ中で電気接続されており、もともと同電位であるので、太陽電池モジュールの外郭導体部を介して漏洩電流が流れることはない。すなわち、単セルコンバータの負極を構成する導電性基板や裏面反射層や単セルコンバータ同士をつなぐ電気接続線及び、太陽電池モジュールの外郭導体部を構成する材料での酸化、還元反応は促進されない。
【０１１５】
このように、太陽電池アレイを構成する太陽電池セル同士が電気的に絶縁されていたり、または太陽電池アレイを構成する太陽電池セルの電位が全て等しくなるように構成されているため、どの太陽電池セルでピンホールが生じても太陽電池モジュールの外郭導体部を通じて漏洩電流が流れることがないので、本実施形態の太陽電池アレイは、耐久性及び信頼性が向上する。
【０１１６】
＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下においては上記第１及び第２の実施形態と同様な部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分を中心に説明する。
【０１１７】
上記第１及び第２の実施形態では、太陽電池セルで発電した直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、直流電力として太陽電池モジュールから出力される。第３の実施形態では、太陽電池モジュールから商用交流電力を出力して、商用コンセントに連系可能とするものである。
【０１１８】
太陽電池モジュールの出力を交流出力とするためには、各単セルコンバータにおいて太陽電池セルの裏面にＤＣ／ＤＣコンバータの代わりにインバータを取り付け、これを並列接続する構成と、複数の単セルコンバータの出力を、モジュール内に設けたインバータに入力して、交流電力を出力する構成とが考えられる。本実施形態ではどちらの構成を採用しても良いが、太陽電池モジュールから出力する商用交流電力を家庭用コンセントを介して供給可能なように、出力側の端子をコンセントプラグ形状とする。
【０１１９】
図８は、本実施形態の太陽電池モジュールの使用例を示す概略図である。図８の例では、上記第１の実施形態に関して説明した図１と同様に、商用系統５１と家庭用分電盤５３の間には売買電メータ箱５２が設置されており、家庭用分電盤５３から、複数の家庭用コンセント５５に分岐接続されている。そして、本実施形態の太陽電池モジュール１より出力される交流電力は、コンセントプラグ３２から家庭用コンセント５５を介して家庭用分電盤５３に逆潮流電力として供給され、負荷５４などによって使用される。
【０１２０】
このように、本実施形態の太陽電池モジュールは商用周波数の交流電力を出力する構成としたため、太陽電池モジュールの出力端子をコンセントプラグ３２として、家庭用コンセント５５に直接接続することにより電力逆潮流が可能であり、設置場所や所望の発電電力に応じてモジュール単位での増減が容易に行なえる。
【０１２１】
また、本実施形態によれば、上記第１及び第２の実施形態と同様の効果も得られる。
【０１２２】
＜他の実施形態＞
尚、以上の実施形態においては、太陽電池セルを直流電源として用いる太陽光発電システム及び太陽電池モジュールを例に挙げて説明したが、本発明は、直流電源として燃料電池や熱電対またはプラズマ発電装置など、太陽電池以外の様々な電源を用いる電力変換システムやモジュールにも適用できる。
【０１２３】
また、本発明のシステムは商用電力系統に電力を供給するものとしたが、工場などにおける自家交流発電設備など、商用交流電力系統以外の交流電力系統に電力を供給するようにしてももちろんかまわない。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一部の太陽電池セルが日陰となっていても、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルに逆電圧が加わる恐れがない。このため、セル毎にバイパスダイオードを設ける必要がなくなり、コストを低下できる。
【０１２５】
また、太陽電池セル同士を直列接続する際に用いていた電気接続部材を太陽電池セル間のギャップに配置する必要がなくなる。このため、太陽電池セル同士のギャップを大幅に小さくすることができるので、太陽電池モジュールの面積発電効率を大きくすることが可能となる。
【０１２６】
その上、各太陽電池セルに高い電位を有する部分が存在しなくなると共に、太陽電池セル間の電位差がほとんどなくなる。このため、たとえピンホールが発生してそこから水分が侵入しても、太陽電池モジュールの外郭などに漏洩電流が流れることがほとんど無くなる。その結果、太陽電池モジュールの外郭部や太陽電池セルの電食を防止することができるため、太陽電池モジュールの耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【０１２７】
更に、太陽電池モジュール内の配線部分に流れる電流値が小さくなるので、終電電極や正極端子のサイズを小さくでき、太陽電池モジュールのコストを低減し、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池モジュールを使用した太陽光発電システムの概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の太陽電池モジュールの概略構成を示すブロック図である。
【図３】図２のＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示すブロック図である。
【図４】図２の単セルコンバータの横断面図である。
【図５】図２の太陽電池モジュールの横断面図である。
【図６Ａ】図２の太陽電池モジュールの概略構成を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの太陽電池モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【図６Ｃ】図６Ａの太陽電池モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【図７Ａ】第２の実施形態の太陽電池モジュールの概略構成を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａの太陽電池モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【図７Ｃ】図７Ａの太陽電池モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【図８】第３の実施形態の太陽電池モジュールを使用した太陽光発電システムの概略構成を示す図である。
【図９Ａ】従来の太陽電池セルの概略構成を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示した太陽電池セルを４枚直列接続した太陽電池モジュールを示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｂの太陽電池モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【図１０Ａ】従来の太陽電池モジュール２つを並列接続した構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの電気的接続を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１　太陽電池モジュール
２　太陽電池セル
３　ＤＣ／ＤＣコンバータ
４　単セルコンバータ
１０　入力ノイズフィルタ
１２　昇圧回路
１６　出力ノイズフィルタ
１７　昇圧制御回路
１８　入力端子
１９　出力端子
２２　入力電流検出器
２３　入力電圧検出器
２８　出力電圧検出器
３２　コンセントプラグ
５１　商用系統
５２　売買電メータ箱
５３　家庭用分電盤
５４　家庭内負荷
５５　家庭用コンセント
５６　連系インバータ
５７　接続箱
１０１　ステンレス薄板
１０２　光電変換層
１０３　集電電極
１０４　絶縁テープ
１０５　正極タブ
２０１　絶縁層
２０２　正極側導電層
２０３　外郭導体部
２０４　負極側導電層
２０５　充填剤
２０６　耐候性フィルム
２０７　充填剤
２０８　リード線
３０１　太陽電池セル
３０２　太陽電池セル基板
３０３　半導体層
３０４　負極端子
３０５　正極端子
３０６　絶縁膜
３０７　外郭導体部
３１１、３１２，３１３，３１４　太陽電池モジュール
【図１】
2004055603.tif 000003
【図２】
2004055603.tif 000004
【図３】
2004055603.tif 000005
【図４】
2004055603.tif 000006
【図５】
2004055603.tif 000007
【図６Ａ】
2004055603.tif 000008
【図６Ｂ】
2004055603.tif 000009
【図６Ｃ】
2004055603.tif 000010
【図７Ａ】
2004055603.tif 000011
【図７Ｂ】
2004055603.tif 000012
【図７Ｃ】
2004055603.tif 000013
【図８】
2004055603.tif 000014
【図９Ａ】
2004055603.tif 000015
【図９Ｂ】
2004055603.tif 000016
【図９Ｃ】
2004055603.tif 000017
【図１０Ａ】
2004055603.tif 000018
【図１０Ｂ】
2004055603.tif 000019