(57)【要約】【課題】所望の光透過率を有する透光性薄膜太陽電池モジュールを低コストで簡便に提供する。【解決手段】透光性薄膜太陽電池モジュール（２０）において、所定の透光率を有する１以上の透光性薄膜太陽電池サブモジュール（２２）と１以上の非透光性薄膜太陽電池サブモジュール（２１）とが同一の透明絶縁パネル上に配置されており、非透光性サブモジュールに対する透光性サブモジュールの数の比率は透光性モジュール全体として所望の平均透光率が得られるように設定されていることを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の透光率を有する１以上の透光性薄膜太陽電池サブモジュールと１以上の非透光性薄膜太陽電池サブモジュールとが同一の透明絶縁パネル上に配置されている透光性薄膜太陽電池モジュールであって、前記非透光性サブモジュールに対する前記透光性サブモジュールの数の比率は前記透光性モジュール全体として所望の平均透光率が得られるように設定されていることを特徴とする透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記透光性サブモジュールと前記非透光性サブモジュールは、それらの出力電流が合体されて前記透光性モジュール全体から一つの出力電流として取り出されるように、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項３】
所定の複数の前記サブモジュールが電気的に並列接続された並列サブモジュールグループの複数を含み、それら複数の並列サブモジュールグループが電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項４】
複数の前記並列サブモジュールグループは互いに同数の前記透光性サブモジュールを含むことを特徴とする請求項３に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記透光性サブモジュールと前記非透光性サブモジュールのいずれもが透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を含み、前記透光性サブモジュールにおいては前記半導体光電変換層と裏面電極層を貫通する複数の透光用溝または穴を含んでいることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記サブモジュールの各々はその出力電流を取り出すために両端辺に沿って前記裏面電極層上にバスバー電極を有し、それらのサブモジュール間の電気的接続は前記バスバー電極間に接続リードを接合することによって行われていることを特徴とする請求項５に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記裏面電極層の背面側は透明封止樹脂層を介して前記透明絶縁パネルによって封止されていることを特徴とする請求項５または６に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項８】
前記透明絶縁パネル上に配置された複数の前記サブモジュールの前記透明絶縁基板間の隙間には耐候性で絶縁性の充填樹脂が付与されていることを特徴とする請求項７に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項９】
前記接続リードが前記裏面電極層と直接対面する位置および前記サブモジュール間の隣接領域と対面する位置にはそれらの間に絶縁フィルムが挿入されていることを特徴とする請求項６に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【請求項１０】
前記透光性サブモジュールと前記非透光性サブモジュールとは、前記透光性モジュール全体の透過光による照明効果が均一になるように、前記パネル上で所定の周期的パターンに配列されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透光性薄膜太陽電池モジュールに関し、特に、建築物の用途に利用される場合に低コストでかつ簡便に所望の透光率を実現し得る透光性薄膜太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭酸ガス排出による地球温暖化防止の観点から、クリーンエネルギ源として、半導体太陽電池の利用の拡大が期待されている。半導体太陽電池の中でも、半導体結晶ウエハを利用する結晶系太陽電池に比べて、気相堆積による半導体薄膜を利用する薄膜系太陽電池は低コストで大面積に作製され得るので、特にその利用の拡大が期待されている。
【０００３】
図８から図１１において、従来の典型的な薄膜太陽電池の構造が模式的に図解されている。図８は薄膜太陽電池の背面を表す平面図であり、図９は図８中の線分Ａに沿った断面図であり、図１０は図８中の線分Ｂに沿った断面図であり、そして図１１は図８中の点線Ｃに沿って切り出した部分の模式的斜視図である。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
【０００４】
これらの図８から図１１に図解された薄膜太陽電池１においては、ガラスなどの透明絶縁基板２上に透明電極層３、半導体光電変換層４、および裏面金属電極層５がスパッタやＣＶＤ（化学気相堆積）などを利用して順次積層されている。ガラス基板２としては、近年では約１ｍ平方の大きさのものまで用いられている。透明電極層３としてはＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）などが用いられ、金属電極層５としてはＡｇ、Ａｌなどが主に用いられている。各層３、４、５の堆積とエッチングまたはレーザスクライブなどによるパターニングとを繰り返して複数の短冊状光電変換セル１６が形成されており、それらの短冊状セル１６は短軸方向に電気的に直列接続された集積構造にされている。
【０００５】
すなわち、隣接するセル１６間において裏面電極層５はセル間分離溝６によって分離されているが、一つのセル１６の透明電極３は隣のセル１６の裏面電極５に接続されている。また、各層３、４、５は、周縁分離溝１１によって、発電領域１３と非発電領域１４とに分離されている。このような周縁分離溝１１は、各層３、４、５の周縁端部における透明電極３と裏面電極５との短絡欠陥などを分離するために設けられる。このような場合、発電領域内において、セル間分離溝６によって１％未満の透光性は存在している。
【０００６】
直列接続された複数セル中の両端のセル上には、バスバー（母線）電極１２が設けられ、全セルからの出力電流はこれらのバスバー電極１２から取り出される。両バスバー電極１２の一方は、図９に示されているように、接続溝７を介して半田層１７によって透明電極３に接続されている。そして、他方のバスバー電極１２は、半田層によって裏面電極５に接続されればよい。
【０００７】
従来では、建築物用の大型の薄膜太陽電池は、ビルの屋上や家屋の屋根上に設置されるのが一般的である。しかし、最近では、日照空間の利用効率の改善の観点から、ビルの屋上や家屋の屋根上のみならず建築物の壁面上に薄膜太陽電池が設置されている。また、建築物の窓自体や採光屋根自体さらに商店街のアーケードの屋根自体などにも薄膜太陽電池を利用することが試みられている。ここで、建築物の採光屋根自体や窓自体またはアーケードの屋根自体などに薄膜太陽電池を利用する場合には、建築物内部やアーケードの照明光として、薄膜太陽電池が部分的に太陽光を透過する必要がある。
【０００８】
太陽光の一部を透過し得る薄膜太陽電池の一例は、例えば特許文献１の特開平５−２５１７２３号公報において開示されている。
【０００９】
図１２と図１３において、透光性薄膜太陽電池の一例が模式的に図解されている。図１２は透光性薄膜太陽電池の背面を表す平面図であり、図１３は図１２中の点線Ｄに沿って切り出した部分の模式的斜視図である。図１２中の線分ＡとＢに沿った断面構造は、それぞれ図２と図３に対応している。図１２の透光性薄膜太陽電池１ａでは、発電領域１５において太陽光が部分的に透過し得る。
【００１０】
その発電領域１５が部分的に太陽光を透過し得るのは、図１３に示されているように、複数の光透過用溝８が形成されているからである。すなわち、半導体層４と金属電極層５が光透過用溝８によって除去されている。ただし、光透過用溝８はセル間分離溝６に交差して形成されており、セル間分離溝６の両側のセルは互の電気的直列接続が維持されている。なお、光透過用溝の代わりに、光透過用穴が形成されてもよいことは言うまでもない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−２５１７２３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
建築物の窓自体や採光屋根自体またはアーケードの屋根自体などに透光性薄膜太陽電池を設置して太陽光の一部を照明光として利用しようとする場合、透光性薄膜太陽電池に求められる光透過率は一定ではない。なぜならば、建築物内の部屋の用途などに依存して、求められる照明光の明るさが必ずしも一定ではないからである。
【００１３】
他方、図１３に図解されているような透光性薄膜太陽電池において、その光透過率は光透過用溝８の幅および密度（本数の多少）に依存して定まる。すなわち、完成後の透光性薄膜太陽電池においては、その光透過率を変更することはできない。したがって、求められる光透過率を有する透光性薄膜太陽電池を作製するためには、各光透過率ごとに設計変更して、それに対応して製造プロセスも変更しなければならい。
【００１４】
例えば、図１３の透光性薄膜太陽電池に比べて半分の透光率が求められる場合、図１４に示されているように光透過用溝８の密度（本数）を半分にするか、または図１５に示されているように光透過用溝８の各々の幅を半分にするように設計変更しなければならない。もちろん、逆に光透過率を高めることが求められる場合には、光透過用溝８の密度を高めおよび／または各光透過用溝８の幅を拡大しなければならない。このように光透過用溝の幅と密度を調整することによって、例えば３％〜５０％の範囲内の光透過率を実現可能である。
【００１５】
なお、光透過用溝の代わりに光透過用穴が形成される場合には、溝幅の大小の関係が穴径の大小の関係に対応し、溝数の大小の関係が穴数の大小の関係に対応する。また、透光性薄膜太陽電池において、光透過率の増大に伴って出力電力が低下することは言うまでもない。したがって、透光性薄膜太陽電池の光透過率は、望まれる透過光の明るさと望まれる出力電力との両方を勘案して決定される。
【００１６】
さらに、光透過率が変更された透光性薄膜太陽電池を作製するためには、光透過用溝８を形成するための例えばレーザスクライブにおいて、スクライブの走査本数の変更および／またはレーザパワーの変更などを行わなければならない。このような設計変更やプロセスの変更は、透光性薄膜太陽電池のコストの上昇を招くのはもちろんのこと、プロセスを煩雑化させる。
【００１７】
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、所望の光透過率を有する透光性薄膜太陽電池を低コストで簡便に提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明による透光性薄膜太陽電池モジュールにおいては、所定の透光率を有する１以上の透光性薄膜太陽電池サブモジュールと１以上の非透光性薄膜太陽電池サブモジュールとが同一の透明絶縁パネル上に配置されており、非透光性サブモジュールに対する透光性サブモジュールの数の比率は透光性モジュール全体として所望の平均透光率が得られるように設定されていることを特徴としている。
【００１９】
なお、透光性サブモジュールと非透光性サブモジュールは、それらの出力電流が合体されて透光性モジュール全体から一つの出力電流として取り出されるように、互いに電気的に接続され得る。その際に、所定の複数のサブモジュールが電気的に並列接続された並列サブモジュールグループの複数を含み、それら複数の並列サブモジュールグループが電気的に直列接続されることが好ましい。また、複数の並列サブモジュールグループは互いに同数の透光性サブモジュールを含むことが好ましい。
【００２０】
透光性サブモジュールと非透光性サブモジュールのいずれもが透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を含んで作製することができ、透光性サブモジュールにおいては半導体光電変換層と裏面電極層を貫通する複数の透光用溝または穴を含み得る。サブモジュールの各々はその出力電流を取り出すために両端辺に沿って裏面電極層上にバスバー電極を有し、それらのサブモジュール間の電気的接続はバスバー電極間に接続リードを接合することによって行われ得る。
【００２１】
裏面電極層の背面側は透明封止樹脂層を介して透明絶縁パネルによって封止され得る。また、透明絶縁パネル上に配置された複数のサブモジュールの透明絶縁基板間の隙間には耐候性で絶縁性の充填樹脂が付与されていることが好ましい。さらに、接続リードが裏面電極層と直接対面する位置およびサブモジュール間の隣接領域と対面する位置にはそれらの間に絶縁フィルムが挿入されていることが好ましい。
【００２２】
透光性サブモジュールと非透光性サブモジュールとは、透光性モジュール全体の透過光による照明効果が均一になるように、パネル上で所定の周期的パターンに配列されていることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
透光性薄膜太陽電池の一般的な製造工程の例として、レーザ加工装置による透光用溝または穴の加工後に、
（１）  洗浄を実施、
（２）  洗浄に加えてアニールを実施、
（３）  洗浄工程としのブラシ洗浄に加えてアニールを実施
のいずれかを行うことによって、その太陽電池の高い出力性能を得ることができる。そのような高い出力特性の確保のために、アニール処理（例えば１５０℃で２０分以上）は必須の工程である。そして、ブラシ洗浄工程とアニール処理を併用することが、透光性薄膜太陽電池の製造にもっとも好ましい。
【００２４】
また、透光性薄膜太陽電池においては多数の透光用溝または穴を発電領域中に設けるので、セルに欠陥が生じて電流リークが生じやすい傾向にある。したがって、その非晶質半導体光電変換層が通常の膜厚よりも厚い３３０ｎｍ程度の場合に、いわゆるステブラーロンスキー効果による光劣化後の出力特性が最大になる。すなわち、透光性薄膜太陽電池の場合には、非晶質半導体光電変換層が３００〜３５０ｎｍの厚さ範囲内にあることが好ましい。
【００２５】
図１から図３において、本発明の一実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールが模式的に図解されている。図１は透光性薄膜太陽電池モジュールの背面を模式的な平面図で示しており、図２と図３は図１中の破線で示された領域Ｅ内で互いに直交する断面を示している。
【００２６】
この透光性薄膜太陽電池モジュール２０は、対角方向に配置された２つの非透光性薄膜太陽電池サブモジュール２１と、その逆対角に配置された２つの透光性薄膜太陽電池サブモジュール２２とを含んでいる（図１参照）。これらのサブモジュール２１、２２の背面は、例えばＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）などからなる封止樹脂層３１を介して、ガラス板などからなる透明絶縁性パネル３２によって封止されている（図２および図３参照）。例えば、約１ｍ平方の透明絶縁性パネル３２上に、約５００ｃｍ平方のサブモジュール２１、２２を４枚配置することができる。
【００２７】
図１に示されているように４つのサブモジュールを含む透光性薄膜太陽電池モジュールにおいては、透明絶縁パネル３２に貼り付けるサブモジュールの非透光性と透光性を選択することによって、４通りの光透過率を低コストで容易に実現することができる。すなわち、透明絶縁パネル３２上に貼り付けるサブモジュールのうちで、透光性サブモジュール２２の枚数は１から４の間で選択可能であり、その枚数の増大にしたがって、透光性薄膜太陽電池モジュール全体としての平均光透過率が増大する。
【００２８】
図１から分かるように、左右に隣接するサブモジュール同士においては、例えば半田めっきされた銅箔からなるリボン状の接続リード１８によってバスバー電極１２間が互いに電気的に並列接続されている（互いに直交する断面図である図２と図３をも参照）。すなわち、左右に隣接する非透光性サブモジュール２１と透光性サブモジュール２２は並列サブモジュールグループを構成しており、これによってモジュール間で平均化された出力電流が得られる。また、上下に隣接している並列サブモジュールグループ同士は接続リード１８によって互いに電気的に直列接続されており、これによって所望の出力電圧が得られる。そして、透光性薄膜太陽電池モジュールに含まれるすべてのサブモジュールからの出力電力は、２つの出力端子１９から取り出される。
【００２９】
図１から図３において図解されているような透光性薄膜太陽電池モジュールは、例えば以下のような手順で作製することができる。まず、透明絶縁パネル３２へ固定する前のサブモジュール２１、２２の配置を安定させて取り扱いを容易にするために、例えばフッ素樹脂でコートされたガラス不織布のシート上に、裏面電極を上にした状態でそれらのサブモジュールを配置する。
【００３０】
そして、半田めっきされた銅箔からなる接続リード１８によって、左右に隣接するサブモジュール２１、２２のバスバー電極１２間を電気的に並列接続し、並列サブモジュールグループを形成する。さらに、上下に隣接する並列サブモジュールグループのバスバー電極１２間を接続リード１８で電気的に直列接続する。また、接続リード１８と同様な出力端子１９もバスバー電極１２に接続される。
【００３１】
その後、透明絶縁パネル３２と同じ面積で例えば厚さ０．４ｍｍの第１のＥＶＡシートが、電気的接続の完了した全サブモジュール上に封止樹脂層の一部として被せられる。このとき、第１のＥＶＡシートにおいて、接続リード１８の位置には切り込みが設けられている。そして、第１のＥＶＡシートのその切り込み部分が、接続リード１８とサブモジュール２１、２２との間に挿入される。その後に、第１のＥＶＡシート全体を覆うように、同一面積で厚さ０．４ｍｍの第２のＥＶＡシートが被せられる。
【００３２】
その第２のＥＶＡシート上には、透明絶縁パネル３２としてのガラス板が被せられる。そして、この状態において、真空ラミネートが行われる。真空ラミネートでは、例えば１６０℃において２分間の真空引きを行った後に、例えば６分間のプレス処理が行われる。その後、ＥＶＡ層の強度を高めるために、オーブン内で常圧下で１５０℃の温度で１時間加熱して硬化（キュアリング）処理がなされる。こうして、第１と第２のＥＶＡシートが一体の封止樹脂層３１になる。
【００３３】
図３に類似する図４は、上述の実施形態の一部を変更した他の実施形態を示す模式的な断面図である。すなわち、透明絶縁パネル３２上にサブモジュールを貼り付ける場合、隣接するサブモジュールのガラス基板２間の隙間３３（図３参照）には、図４に示されているように充填樹脂３４を付与することが好ましい。なぜならば、上述のように封止樹脂層３１の形成に用いられるＥＶＡシートは非常に薄いものであり、隣接するガラス基板２間の隙間３３をそのＥＶＡ樹脂で充填することはできないからである。
【００３４】
すなわち、その隙間３３からガラス基板２と封止樹脂層３１との間に空気中の水分などが侵入し、配線間の電流リークや発電領域の劣化などを生じる恐れがあり、透光性薄膜太陽電池モジュールの長期信頼性が問題となり得るからである。なお、そのような充填樹脂３４としては、耐候性で絶縁性のシリコーン系樹脂やブチル系樹脂を用いることが好ましい。
【００３５】
図４に類似する図５は、図４の実施形態の一部を変更したさらに他の実施形態を示す模式的な断面図である。すなわち、図５に示されているように、バスバー電極１２間を接続する接続リード１８が裏面金属電極層と対面する領域では、それらの間に絶縁フィルム３５を挿入することが好ましい。これによって、接続リード１８と裏面金属電極層との間の電流リークをより確実に防止することができ、透光性薄膜太陽電池モジュールの信頼性の観点から好ましい。
【００３６】
図６は本発明のさらに他の実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールの背面側を模式的な平面図で示しており、この透光性薄膜太陽電池モジュール２０は市松模様に配列された８枚の非透光性サブモジュール２１と８枚の透光性サブモジュールとを含んでいる。例えば、約１ｍ平方の透明絶縁性パネル上に、約２５０ｃｍ平方のサブモジュール２１、２２を１６枚配置することができる。
【００３７】
図６に示されているように１６のサブモジュールを含む透光性薄膜太陽電池モジュールにおいては、透明絶縁パネルに貼り付けるサブモジュールの非透光性と透光性を選択することによって、１６通りの光透過率を低コストで容易に実現することができる。すなわち、透明絶縁パネル上に貼り付けるサブモジュールのうちで、透光性サブモジュール２２の枚数は１から１６の間で選択可能であり、その枚数の増大にしたがって、透光性薄膜太陽電池モジュール２０全体としての平均光透過率が増大する。
【００３８】
図７は、図６の透光性薄膜太陽電池モジュールの等価回路図を示している。すなわち、左右に隣接する４枚のサブモジュールは互いに電気的に並列接続されており、並列サブモジュールグループを形成している。これによって、モジュール間で平均化された出力電流が得られる。そして、上下方向に配列されたそれらの４つの並列サブモジュールグループは互いに電気的に直列接続されている。これによって所望の出力電圧が得られる。そして、透光性薄膜太陽電池モジュールに含まれるすべてのサブモジュールからの出力電力は、２つの出力端子１９から取り出される。
【００３９】
ところで、非透光性サブモジュール２１と比較すれば、当然に透光性サブモジュール２２の出力電流は相対的に低く、その光透過率に反比例して出力電流が低下する。一般に、出力電流の大きなサブモジュールと小さなサブモジュールとを直列接続した場合、全体としてのモジュールの出力電流は、出力電流の小さい方のサブモジュールによって制限される。したがって、複数の並列サブモジュールグループは、それぞれ同数の透光性サブモジュールを含むことが好ましい。
【００４０】
また、薄膜太陽電池モジュール全体として均一な照明効果を生じさせるためには、非透光性サブモジュールと透光性サブモジュールは周期的なパターンで配列されることが好ましい。そして、そのような周期的パターンで配列すれば、必然的に複数の並列サブモジュールグループがそれぞれ同数の透光性サブモジュールを含むことになり得る。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、所望の光透過率を有する透光性薄膜太陽電池モジュールを低コストで簡便に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールの背面側を示す模式的な平面図である。
【図２】図１中の破線領域Ｅ内における模式的な一断面図である。
【図３】図１中の破線領域Ｅ内で図２に直交する方向における模式的な一断面図である。
【図４】図３の一部を変更した実施形態を示す断面図である。
【図５】図４の一部を変更した実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明のさらなる実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールの背面側を示す模式的な平面図である。
【図７】図６の透光性薄膜太陽電池モジュールに対応する等価回路図である。
【図８】従来の非透光性薄膜太陽電池の背面側を示す模式的な平面図である。
【図９】図８中の線分Ａに沿った模式的断面図である。
【図１０】図８中の線分Ｂ沿った模式的断面図である。
【図１１】図８中の点線Ｃに沿って切り出した部分の模式的な斜視図である。
【図１２】従来の透光性薄膜太陽電池の背面側を示す模式的な平面図である。
【図１３】図１２中の点線Ｄに沿って切り出した部分の一例の模式的な斜視図である。
【図１４】図１２中の点線Ｄに沿って切り出した部分の他の例の模式的な斜視図である。
【図１５】図１２中の点線Ｄに沿って切り出した部分のさらに他の例の模式的な斜視図である。
【符号の説明】
１  従来の非透光性薄膜太陽電池、１ａ  従来の透光性薄膜太陽電池、２  透明絶縁基板、３  透明電極層、４  半導体光電変換層、５  裏面金属電極層、６セル間分離溝、７  接続溝、８  光透過用溝、１１  周縁分離溝、１２バスバー電極、１３  発電領域、１４  非発電領域、１５  透光性発電領域、１６  光電変換セル、１７  半田層、１８  接続リード、１９  出力端子、２０  透光性薄膜太陽電池モジュール、２１  非透光性薄膜太陽電池サブモジュール、２２  透光性薄膜太陽電池サブモジュール、３１  封止樹脂層、３２  透明絶縁パネル、３３  隙間、３４  充填樹脂、３５  絶縁フィルム。
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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