(57)【要約】【課題】エネルギー損失の少ない光電変換素子モジュールを提供する。【解決手段】セルＣａ１〜Ｃｈ８の１枚あたりの面積を所定値以下の大きさにすることでセルＣａ１〜Ｃｈ８に流れる電流が抑えられ、透明電極におけるエネルギー損失を極力小さくすることができ、セルＣａ１〜Ｃｈ８同士を直列接続することで、比較的高開放電圧、低電流出力の光電変換素子モジュールが得られる。高開放電圧、低出力電流のユニット４３１〜４３ｍを複数段モジュール内で並列接続することで大出力の光電変換素子モジュールが得られる。【選択図】　　　　図１
2004040034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極付基板を入射光側に用いたセルを有する光電変換素子モジュールにおいて、上記セルが所定値以下の大きさとなるように縦横に分割され、分割された全てのセルが直列接続されていることを特徴とする光電変換素子モジュール。
【請求項２】
透明電極付基板を入射光側に用いたセルを有する光電変換素子モジュールにおいて、上記セルが所定値以下の大きさとなるように縦横に分割され、分割されたセルのうち一方向のセル同士が直列に接続されてユニットを構成し、各ユニットが並列接続されていることを特徴とする光電変換素子モジュール。
【請求項３】
上記分割されたセルのうち一方向のセルの数よりユニットの数が多い請求項２に記載の光電変換素子モジュール。
【請求項４】
上記セルの大きさの上限が１０ｃｍ２である請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン（以下「ａ−Ｓｉ」という。）太陽電池や色素増感型太陽電池等は、入射光側に、太陽光を透過する透明な基板（ガラスやプラスチック）上に透明な導電膜（透明電極）が形成された基板が電極兼モジュール基板材として用いられている。基板上の透明電極をレーザ光照射等を用いて分割し、分割された透明電極を直列接続することで１枚のガラス基板をそのままモジュールとすることが可能である。
【０００３】
図５はａ−Ｓｉ太陽電池モジュールの構造図である。
【０００４】
図５に示すａ−Ｓｉ太陽電池モジュールは、ガラス等のある程度の強度を有する透明基材１０上（図では下側）にＩｎ２Ｏ３やＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＳｎドープＩｎ２Ｏ３等の透明導電膜１１を形成したものをモジュールの透明電極付基板１２として用い、その透明電極付基板１２上（この場合下側）にｐ層１３、ｉ層１４、ｎ層１５等の発電層１６をＣＶＤ法等により形成し、最後にｎ層１５の上側に電極１７を形成したものである。尚、図中１８、１９はリード線である。
【０００５】
図６は色素増感型太陽電池の構造図である。尚、図５に示した部材と同様の部材には共通の符号を用いた。
【０００６】
図６に示す色素増感型太陽電池は、一方（図では下側）のガラス基板１０ａ上に透明電極１１ａを形成した透明電極付基板１２ａに、酸化チタン等の半導体を多孔質状に形成し、半導体表面にルテニウム錯体等からなる色素２０を吸着させ、他方（図では上側）のガラス基材１０ｂ上に透明電極１１ｂを形成した透明電極付基板１２ｂを透明電極１１ａ、１１ｂ同士が向かい合うように透明電極付基板１２ａに対向させ、両透明電極付基板１２ａ、１２ｂ間に電解液２１を浸透させた後、貼り合わせ、封止材２２ａ、２２ｂで密封したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５及び図６に示した太陽電池では、透明電極付基板１２、１２ａ、１２ｂの透明電極１１、１１ａ、１１ｂをレーザ加工等で分割して複数のセルとして機能させ、これらのセルを直列接続することで電圧を増加させ、モジュールとして機能させているが、１枚のセルのサイズが大きくなると、太陽光の受光面積が増加し、セルに流れる電流Ｉが増加することになる。電流Ｉが大きくなると、透明電極１１、１１ａ、１１ｂにおける抵抗Ｒによるジュール損失Ｉ２×Ｒが大きくなり、太陽電池モジュールの実効的な出力が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エネルギー損失の少ない光電変換素子モジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、透明電極付基板を入射光側に用いたセルを有する光電変換素子モジュールにおいて、セルが所定値以下の大きさとなるように縦横に分割され、分割された全てのセルが直列接続されているものである。
【００１０】
請求項２の発明は、透明電極付基板を入射光側に用いたセルを有する光電変換素子モジュールにおいて、セルが所定値以下の大きさとなるように縦横に分割され、分割されたセルのうち一方向のセル同士が直列に接続されてユニットを構成し、各ユニットが並列接続されているものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２に記載の構成に加え、分割されたセルのうち一方向のセルの数よりユニットの数が多いのが好ましい。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の構成に加え、セルの大きさの上限が１０ｃｍ２であるのが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、セル１枚あたりの面積を所定値以下の大きさにすることでセルに流れる電流が抑えられ、透明電極におけるエネルギー損失を極力小さくすることができ、セル同士を直列接続することで比較的高開放電圧、低電流出力の光電変換素子モジュールが得られる。
【００１４】
高開放電圧、低出力電流のユニットを複数段モジュール内で並列接続することで大出力の光電変換素子モジュールが得られる。
【００１５】
ここで、一般的に使用される透明電極の抵抗率ρは、１０−４Ωｃｍ程度、膜厚は数十〜数百ｎｍであり、電極のシート抵抗としては１０Ω／□（シート１枚当り１０Ω）程度の値となっている。透明電極の抵抗を下げるためには、電極の膜厚を厚くする方法が考えられるが、膜を厚くすると、光の透過率が減少して発電効率が低下してしまう問題がある。
【００１６】
そこで、本発明では、モジュール内の太陽電池セル面積を小さくする構造をとることで、セルに流れる電流を減少させ、透明電極でのエネルギー損失を抑える構造としている。
【００１７】
太陽電池モジュールの全面積をＳ［ｃｍ２］とし、最大動作電流密度をＪｏｐ［Ａ／ｃｍ２］とし、最大動作電圧をＶｏｐ［Ｖ］とし、透明電極の電気抵抗をＲ［Ω］とし、セルを分割する際の切り代は無視できるものとすると、電極部でのジュール損失は以下のようになる。
【００１８】
（１）モジュールを複数のセルに分割しない場合
セルに流れる電流Ｉは数１式で表され、ジュール損失Ｐ（１）は数２式で表される。
【００１９】
【数１】
Ｉ［Ａ］＝Ｊｏｐ［Ａ／ｃｍ２］×Ｓ［ｃｍ２］
【００２０】
【数２】
Ｐ（１）［Ｗ］＝Ｉ２×Ｒ＝（Ｊｏｐ×Ｓ）２×Ｒ
（２）セルを１／ｎサイズに分割した場合
セルに流れる電流Ｉは数３式で表され、セル１枚あたりのジュール損失Ｐ（１／ｎ）は数４式で表され、モジュールとしてのジュール損失Ｐは数５式で表される。
【００２１】
【数３】
Ｉ［Ａ］＝Ｊｏｐ×Ｓ／ｎ
【００２２】
【数４】
Ｐ（１／ｎ）［Ａ］＝（Ｊｏｐ×Ｓ／ｎ）２×Ｒ＝Ｐ（１）／ｎ
【００２３】
【数５】
Ｐ＝Ｐ（１／ｎ）×ｎ＝Ｐ（１）／ｎ
分割したセルを直列に接続すると、（２）の場合の出力電圧は（１）の場合のｎ倍となる。
【００２４】
一般に、ａ−Ｓｉ太陽電池や色素増感太陽電池の最大動作電圧Ｖｏｐは１［Ｖ］以下であるので、ｎ＝１００に分割しても出力端電圧は１００［Ｖ］以下となるため、現在使用している構成材料でも絶縁上の問題はない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】
図１は本発明の光電変換素子モジュールの一実施の形態を示す概念図である。
【００２７】
尚、図中ａ１〜ｈ８はセルＣの位置を示す符号であり、例えばａ１はセルＣａ１を表し、ｈ８はセルＣｈ８を表す。
【００２８】
本光電変換素子モジュールは、ガラス基板３０上に透明電極３１ｅ１〜３１ｅ４（図２参照）を形成した透明電極付基板３２（図２参照）を入射光側に用いたセルＣ（Ｃａ１〜Ｃｈ８）を有する光電変換素子モジュールであって、１枚のセルＣａ１〜Ｃｈ８が１０ｃｍ２以下の大きさとなるように縦（８列）横（８列）に複数（この場合６４枚であるが、限定されない。）に分割され、分割された全てのセルＣａ１〜Ｃｈ８が直列接続されたものである。尚、３５、３６はリード線である。
【００２９】
図２は図１に示した光電変換素子モジュールのＩＩ−ＩＩ線部分断面図である。
【００３０】
図２ではセルＣａ１〜Ｃｈ８のうち、セルＣｅ１〜Ｃｅ４が示されている。
【００３１】
例えば、セルＣｅ１は、ガラス基板３０上に独立して形成された矩形平面形状の透明電極３１ｅ１と、透明電極３１ｅ１上に形成されａ−Ｓｉ層（若しくはＴｉＯ２層）からなる発電層３２ｅ１と、発電層３２ｅ１上に形成された裏面電極３３ｅ１とで形成されている。
【００３２】
セルＣｅ２は、ガラス基板３０上に独立して形成された矩形平面形状の透明電極３１ｅ２と、透明電極３１ｅ２上に形成されａ−Ｓｉ層（若しくはＴｉＯ２層）からなる発電層３２ｅ２と、発電層３２ｅ２上に形成された裏面電極３３ｅ２とで形成されている。
【００３３】
セルＣｅ３、Ｃｅ４間及び他のセルＣａ１〜Ｃｈ８（但し、Ｃｅ１〜Ｃｅ３を除く）も同様の構造を有している。
【００３４】
セルＣｅ１、Ｃｅ２間の接続は、セルＣｅ１からセルＣｅ２に向かって張り出すように形成された発電層３２ｅ１上に、隣接するセルＣｅ２の透明電極３１ｅ２に裏面電極３３ｅ１が接触するように形成することで行われている。
【００３５】
セルＣｅ２、Ｃｅ３間の接続は、セルＣｅ２からセルＣｅ３に向かって張り出すように形成された発電層３２ｅ２上に、隣接するセルＣｅ３の透明電極３１ｅ３に裏面電極３３ｅ２が接触するように形成することで行われている。
【００３６】
セルＣｅ３及び他のセルＣａ１〜Ｃｈ８（但し、Ｃｅ１〜Ｃｅ４を除く）も同様にして接続されている。
【００３７】
尚、セルＣａ８、Ｃｂ８間、Ｃｂ１、Ｃｃ１間、…、Ｃｇ１、Ｃｈ８間は、発電層及び裏面電極層がコの字平面形状に形成されたもので接続されているが、ジャンパ線を用いて接続してもよい。
【００３８】
このように各セルＣａ１〜Ｃｈ８を直列接続することにより、電圧が１枚のセル（分割前の図示しないセル）の６４倍で、電流が分割前の図示しないセルの６４分の１のモジュールが形成されることになる。
【００３９】
ここで、仮に１セルの大きさを４［ｃｍ２］とし、セルの動作電圧を０．８［Ｖ］とし、動作電流密度を１２［ｍＡ／ｃｍ２］とすると、本モジュールは開放電圧が５１．２［Ｖ］で、動作電流が４８［ｍＡ］となる。
【００４０】
図３は本発明の光電変換素子モジュールの他の実施の形態を示す概念図である。
【００４１】
図１に示した光電変換素子モジュールとの相違点は、複数のセルＣ１１〜Ｃｍｎを直並列接続した点である。尚、図３中１１〜ｍｎはセルの符号を示しており、例えば１１はセルＣ１１を表し、ｍｎはセルＣｍｎを表す。
【００４２】
本光電変換素子モジュールは、ガラス基板上に透明電極を形成した透明電極付基板４０を入射光側に用いたセルを有する光電変換素子モジュールであって、１枚のセルが１０ｃｍ２以下の大きさとなるように縦（ｎ列）横（ｍ列）に複数（ｎ×ｍ枚）に分割され、分割されたセルＣ１１〜Ｃｍｎのうち一方向（この場合縦方向であるが、横方向でもよい。）のセルＣ１１〜Ｃ１ｎからなるユニット４３１、セルＣ２１〜Ｃ２ｎからなるユニット４３２、…、セルＣｍ１〜Ｃｍｎからなるユニット４３ｍ同士が並列に接続されたものである。尚、４１、４２はリード線である。
【００４３】
本光電変換素子モジュールは、例えば光電変換素子モジュールの１ユニット４３１中のセルＣ１１〜Ｃ１ｎはｎ枚直列に接続されており、両端の開放電圧が１枚のセルの開放電圧のｎ倍に昇圧されている。また、ｍ組のユニット４３１〜４３ｍは、それぞれ並列に接続されるため、モジュールの電流は１ユニットあたりの電流のｍ倍とすることができる。このような構成により、大出力のモジュールを構成することができる。さらに、本光電変換素子モジュールは、セルＣ１１〜Ｃｍｎに影（例えば建物や木の影）ができた場合でも、セルユニット４３１〜４３ｍ単位での出力電流が低下するだけなので、全てのセルＣ１１〜Ｃｍｎが直列接続された通常の太陽電池モジュールよりも出力低下を抑えることができる。
【００４４】
図４は本発明の光電変換素子モジュールの変形例を示す概念図である。
【００４５】
図４中、１１〜ｑｒはセルの符号を示しており、例えば１１はセルＣ１１を表し、ｑｒはセルＣｑｒを表す。
【００４６】
図３に示した光電変換素子モジュールとの相違点は、ｒ枚のセルＣ１１〜Ｃ１ｒからなるセルユニット５１１、ｒ枚のセルＣ２１〜Ｃ２ｒからなるユニット５１２、…、ｒ枚のセルＣｑ１〜Ｃｑｒからなるユニット５１ｑを並列にｑ組接続した構造を有し、かつｒ＜ｎ、ｑ＞ｍ（図３参照。）となるように構成されている点である。
【００４７】
本光電変換素子モジュールは、ガラス基板上に透明電極を形成した透明電極付基板５０を入射光側に用いたセルを有する光電変換素子モジュールであって、１枚のセルが１０ｃｍ２以下の大きさとなるように縦（ｒ列）横（ｑ列）に複数（ｒ×ｑ枚）に分割され、分割されたセルＣ１１〜Ｃｑｒのうち一方向（この場合縦方向であるが、横方向でもよい。）の直列に接続されたセルＣ１１〜Ｃ１ｒからなるユニット５１１、直列に接続されたセルＣ２１〜Ｃ２ｒからなるユニット５１２、…、直列セルＣｑ１〜Ｃｑｒからなるユニット５１ｑ同士が並列接続された全セルユニット５１１〜５１ｑの両端同士（この場合上端及び下端）がそれぞれリード線５２、５３に一括接続されたものである。
【００４８】
すなわち、本光電変換素子モジュールは、１枚のセルユニット内のセル数よりセルユニットの数の方が多いモジュールである。
【００４９】
図４に示す光電変換素子モジュールは、セル１枚あたりの電流は小さいままであるが、モジュールとしての電流は大きくなり、開放電圧も図３に示した光電変換素子モジュールと比較して低く抑えることができる。
【００５０】
本光電変換素子モジュールは、図３に示した光電変換素子モジュールと比較してユニット内のセルの直列接続枚数が少ないため、セルに影がかかった場合の出力の低下が図３に示した光電変換素子モジュールと比較して小さくなる。このため、略安定した電力を供給することができる。
【００５１】
（最適条件についての根拠）
ａ−Ｓｉ太陽電池や色素増感型太陽電池の変換効率は概ね１０％と言われている。この場合、現在主流の多結晶Ｓｉ太陽電池の一般的なサイズ□１５５［ｍｍ］（約２４０［ｃｍ２］）あたりでは、２．４［Ｗ］程度の出力が得られることになる。電極部での抵抗を１０［Ω］と見積もると、１枚あたりのセルのジュール損失を１［％］以下とするためには、最大動作点の電流密度を１０［ｍＡ／ｃｍ２］として、数６式が成立する必要がある。
【００５２】
【数６】
（０．０１［Ａ／ｃｍ２］×２４０［ｃｍ２］／ｎ）２×１０［Ω］×ｎ
＜２．４×０．０１［Ｗ］→ｎ＞４９
従って少なくとも５０分割すればよいこととなる。多結晶Ｓｉ太陽電池の変換効率は概ね１６％程度であることから、これと同程度の出力を得るために必要なａ−Ｓｉ太陽電池セルの面積は数７式より、
【００５３】
【数７】
２４０［ｃｍ２］×１６［％］／１０［％］＝３８４［ｃｍ２］
となる。
【００５４】
右辺を５０で割ると、セル１枚あたりの大きさは１０ｃｍ２以下となる。
（使用方法）
基本的には図２に示すケースでは、モジュールの動作電圧が通常のモジュールよりも高めであるため、アレイの構成の際に、電圧を上げるため直列接続するモジュールの枚数を少なくすることができる（並列接続数が増加する。）。
【００５５】
図３に示すような構造を採用すれば、モジュールとしての動作電圧や動作電流は通常のものと同等のものとすることができることから、その場合には特別な配慮は不要である。
【００５６】
以上において、透明電極基板を入射光側に用いるａ−Ｓｉ太陽電池や色素増感型太陽電池のモジュールにおいて、電極部でのエネルギー損失を抑えた太陽電池モジュールを得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、エネルギー損失の少ない光電変換素子モジュールの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換素子モジュールの一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１に示した光電変換素子モジュールのＩＩ−ＩＩ線部分断面図である。
【図３】本発明の光電変換素子モジュールの他の実施の形態を示す概念図である。
【図４】本発明の光電変換素子モジュールの変形例を示す概念図である。
【図５】ａ−Ｓｉ太陽電池モジュールの構造図である。
【図６】色素増感型太陽電池の構造図である。
【符号の説明】
３０　ガラス基板
３２　透明電極付基板
３５、３６　リード線
Ｃａ１〜Ｃｈ８　セル
【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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