(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単数又は複数の透明層、3.5ｋJ/m2K未満の熱容量を有する可撓性の薄膜状太陽電池シート、熱絶縁物質、及び加熱されるべき媒体を含む複合屋根外被部材であって、該可撓性の薄膜状太陽電池シートは、担体、裏面電極、光起電性層、及び透明導電性前面電極を含み、該複合屋根外被部材は、該加熱されるべき媒体が空気である場合には、5.7×10-４K/Ｊより大きい応答速度を有し、該加熱されるべき媒体が水である場合には、1×10-4K/Ｊより大きい応答速度を有する、媒体を加熱すると同時に電気を起こすのに適する複合屋根外被部材。
【請求項２】
可撓性の薄膜状太陽電池シートが600J/ m2K未満の熱容量を有する、請求項１に従う複合屋根外被部材。
【請求項３】
可撓性の薄膜状太陽電池シートが、1400g/m2未満の、単位面積当たりの重量を有する、請求項１または２に従う複合屋根外被部材。
【請求項４】
可撓性の薄膜状太陽電池シートが、加熱されるべき媒体が空気である場合には、11×10-４K/Ｊより大きい応答速度を有し、加熱されるべき媒体が水である場合には、2×10-４K/Ｊより大きい応答速度を有する、請求項１〜３のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【請求項５】
薄膜状太陽電池シートが、1000μm未満の厚みを有する、請求項１〜４のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【請求項６】
担体が75μm〜１mmの厚みを有する請求項１〜５のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【請求項７】
可撓性の薄膜状太陽電池シートがロール−トゥー−ロール法で作られたものである、請求項１〜６のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【請求項８】
可撓性の薄膜状太陽電池シートが、下記の工程を含む方法により作られたものである、請求項７に従う複合屋根外被部材
一時的な基体を用意すること、
透明導電性電極を前記基体上に施与すること、
光起電性層を施与すること、
裏面電極を施与すること、
裏面電極の上に恒久的担体を施与すること、
一時的な基体を除去すること、
任意的に、透明保護層を施与すること。
【請求項９】
該透明層と該薄膜状太陽電池シートとの間及び/又は該薄膜状太陽電池シートと該熱絶縁物質との間に、加熱されるべき媒体を含む空間を含む、請求項１〜８のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【請求項１０】
単数又は複数の透明層が、可視光について70％を超える透過度及び４W/m2.K未満のｋ値を有する、請求項１〜９のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【請求項１１】
加熱されるべき媒体が空気であり、複合屋根外被部材内で加熱された空気のエネルギーが、熱交換器を用いて水を加熱するために使用される、請求項１〜１０のいずれか１項に従う複合屋根外被部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜状太陽電池シートを含む複合屋根外被部材に関する。複合屋根外被部材は、屋根構造の上又は中に好適に設置することができ、又は、さもなくばビル内、もしくは所望であれば、スタンドアローンシステムに組み込むことができ、該複合屋根外被部材において、太陽電池は２通りの方法で用いられる。一つは、太陽電池薄膜シートにより、太陽エネルギーが電気に変換される。他は、太陽エネルギーが気体状及び／又は液状媒体、例えば空気及び／又は水、の加熱に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜状太陽電池シートを含む複合屋根外被部材は、公知である。これは、例えば米国特許第5,589,006号明細書及び欧州特許第0 820 105号に記載されている。米国特許第5,589,006号明細書は、頂部から底部に向けて、好ましくは透明コーティングからなる最上層、フィラー中にキャストされた薄膜状太陽電池シート、背部絶縁部材、フィラー層、及び屋根シートを含む複合屋根外被部材を記載する。空気は、屋根シートの下を通過させられる。
【０００３】
欧州特許第0 820 105号は、薄膜状太陽電池シートが、高い耐負荷能力と高い加工性を有する裏面プレート上に設けられているために、所望の形状、より特には台形形状へと自由に折り曲げることができるところのシステムを記載する。空気は、裏面プレートの下で且つ薄膜状太陽電池シートの上を通過させられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの複合屋根外被部材は適切に機能するが、これらは、特に熱発生効率に関して改良の余地がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
低熱容量の薄膜状太陽電池シートを、加熱されるべき媒体と直接接触させることによって、この点が容易に改良できることが見出された。これにより、薄膜状太陽電池シート自体を加熱するためにより少ないエネルギーで済むので、屋根外被部材の高い効率をもたらし、有益な処理のためにより多くのエネルギーが残される。また、屋根外被部材のより速い応答スピードへとつながる。
【０００６】
即ち本発明は、熱容量が3.5ｋJ/m2K未満、好ましくは600J/ m2K未満であることを特徴とする薄膜状太陽電池シートを含む複合屋根外被部材である。
【０００７】
【発明の実施の態様】
本発明に従う複合屋根外被部材に使用される薄膜状太陽電池シートは、可撓性の薄膜状太陽電池シートである。該薄膜の可撓性は、多くの理由から魅力的である。第1に、前記可撓性は、薄膜状太陽電池シートを巻き上げた形態で屋根外被が組み立てられる場所へと輸送することを可能にする。第2に、薄膜状太陽電池は、例えばガラス担体上の剛性の薄膜状太陽電池と比べて所望する大きさの部分へと分割することが容易である。第3に、薄膜状太陽電池シートの可撓性は、外薄膜を、所望であれば種々の方法で屋根外被部材へと組み込むことを可能にし、その結果、太陽に対する薄膜の位置を最適化することができ、且つ、何らかの審美的効果を得ることができる。従って、薄膜状太陽電池シートは、最も普通であるところの平坦なシートへと作ることができるだけでなく、台形又は他の所望する形状へと折り曲げることができる。ロール−トゥー−ロール法で製造される薄膜状太陽電池シートは、特に魅力的である。なぜなら、それらは所望される特性、すなわち容易な輸送、及び、所望の大きさの部分への容易な分割を非常に良く満たすからである。
【０００８】
本発明に従う複合屋根外被部材で使用される薄膜状太陽電池シートは、一般に、可撓性の担体、裏面電極、光起電性層、及び透明な前面電極からなる。所望であれば、薄膜状太陽電池シートには、１又は複数の保護層又は他の最上層を設けてよい。該薄膜状太陽電池シートの熱容量は、主として担体及び存在する保護層及び最上層の性状により決定される。これらの素材を選択する場合には、熱容量に関して所望の特性が得られるように注意しなければならない。
【０００９】
本発明に従う複合屋根外被部材で使用される薄膜状太陽電池シートは、好ましくは総厚み1000μm未満、より好ましくは500μm未満、最も好ましくは300μm未満、特に好ましくは250μm未満である。一般的に言えば、薄膜状太陽電池シートは薄ければ薄いほど、熱容量が小さい。
【００１０】
本発明に従う複合屋根外被部材で使用される薄膜状太陽電池シートは、好ましくは単位面積当たりの重量が1400g/m2未満、より好ましくは700g/m2未満である。一般的にいえば、薄膜状太陽電池シートは軽ければ軽いほど、熱容量が小さい。さらに、より軽いシートは輸送及び加工がより簡易且つ廉価であり得る。
【００１１】
薄膜状太陽電池シートの担体層に適する物質は、熱可塑性又は熱硬化性ポリマーフィルム、それらの組み合わせ、及び、任意的にそれらのファイバー強化物を包含する。好適な熱硬化性物質はポリイミド、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、SI等を包含する。熱可塑性物質は不定形又は半結晶性であってよい。好適な不定形熱可塑性物質は、PEI、PSU、PC、PPO、PES、PMMA、SI、PVC、PVDC、FEP及び種々の他のフッ素含有ポリマーである。好適な半結晶性物質はPET、PEN、PEEK、PEKK、PP及びPTFEである。好適な液晶物質はPPTA（Twaron、Aramica、Kevlar（総て商標））である。溶液−、エマルジョン−、又は懸濁−キャストフィルムだけでなく溶融押出しフィルムを利用することができる。概して、2軸フィルムがより優れた機械的特性を有する。上に絶縁（誘電体）最上層が備えられた金属フィルム、又はガラスファイバー強化エポキシ樹脂のようなポリマー組成物及び強化ファイバーも、所望であれば担体層として役立つ。
【００１２】
担体自体よりも低い軟化点を有する熱可塑性接着層を有する「共押出し」ポリマーフィルムが好ましい。
【００１３】
任意的に、共押出しフィルムは、例えばアルミニウム又はSiOxの耐拡散層が備えられる。
現在のところ、２軸延伸ポリエステルが好ましく、無機耐拡散層コーティングが設けられたものが好ましい。
【００１４】
担体の厚みは、好ましくは75μm〜１mmである。好ましい範囲は、100μm〜600μm、及びより好ましくは150μm〜300μmである。上述のように、ロール−トゥ−ロール法で作られたものである薄膜状太陽電池シートの使用が魅力的である。可撓性薄膜状太陽電池シートのロール−トゥ−ロール法は、以下の工程を含む：
ａ．一時的な基体を用意すること、
ｂ．透明導電性電極を前記基体上に施与すること、
ｃ．光起電性層を施与すること、
ｄ．裏面電極を施与すること、
ｅ．裏面電極の上に恒久的担体を施与すること、
ｆ．一時的な基体を除去すること。
ｇ．任意的に、透明保護層を施与すること。
【００１５】
複合屋根外被部材用の薄膜状太陽電池シートを作るための、この方法がそれほど魅力的である理由は、一時的基体の使用が、透明導電性酸化物からなる前面電極、光起電性層、及び裏面電極を、良い質の太陽電池が得られる条件下で施用することを可能にすることである。後の工程で、薄膜状太陽電池シートの上に施与される恒久的担体は、複合屋根外被での特定の使用に課せられる条件を容易に満たすように選ぶことができる。しかし、該恒久的基体が、例えば前面電極、光起電性層及び裏面電極の施与の間に優勢である高温条件に耐性である必要はなく、その結果、恒久的担体を選択する際により大きな自由度がある。
【００１６】
その理由から、本発明は前記ａ〜ｇの工程を含む方法で作られる薄膜状太陽電池シートを含む複合屋根外被部材にも関する。好適な方法の例は国際公開第98/13882号、及び第99/49483号に記載されているものである。
【００１７】
裏面電極、PV層、及び透明前面電極の性状は、本発明において重要ではない。透明前面電極は、概して、透明導電性酸化物（TCO）である。好適な透明導電性酸化物の例は、インジウム錫酸化物、酸化亜鉛、アルミニウム、フッ素、もしくはホウ素がドープされた酸化亜鉛、硫化カドミウム、酸化カドミウム、酸化錫、及び最も好ましくはF-ドープされたSnO2である。前記最後に言及された透明電極物質は、400℃より高い温度、好ましくは500℃〜600℃で施与された場合に、円柱状結晶構造の所望の結晶性表面を形成するので好ましい。さらに、それは、より多用されているインジウム錫酸化物よりも化学物質により耐性である。加えて、それはずっと安価である。
【００１８】
本明細書において、用語「PV層」又は「光起電性層」は、光を吸収し及び電気を起こすために必要な層の全システムを包含する。好適な層構成、及びその施与方法は公知である。この分野の一般的先行技術としては、Yukinori  Kuwano著、「光起電性電池」、Ullmanns  Encyclopedia、第A20巻（1992）、161頁、及び「ソーラー技術」、Ullmanns  Encyclopedia、第A24巻（1993）、369頁を参照されたい。
【００１９】
種々の薄膜状半導体をPV層の製造に使用することができる。例は、アモルファスシリコン（a-Si:H）、マイクロクリスタリンシリコン、ポリクリスタリンアモルファス炭化ケイ素（a-SiC）、アモルファスシリコンゲルマニウム（a-SiGe）、及びa-SiGe:Hである。加えて、本発明に従う薄膜状太陽電池シートにおけるPV層は、例えばCIS（銅 インジウム ジセレナイド、CuInSe2）PV電池、カドミウム  テルライド電池、Cu(In,Ga)Se電池、ZnSe/CIS電池、ZnO/CIS電池、Mo/CIS/CdS/ZnO電池、及び色素増感電池を含んでよい。多重電池も、施与されてよい。
【００２０】
好ましくは、TCOがフッ素ドープされた酸化錫を含む場合に、PV層はアモルファスシリコン層である。その場合、PV層は概して一組の、又は複数組のp-ドープ型、真性型、及びｎ-ドープ型アモルファスシリコン層からなり、p-ドープ型層は、入射光受光側に設置される。
【００２１】
本発明に従う薄膜状太陽電池シートの裏面電極は、好ましくは反射板として及び電極として双方の作用をする。裏面電極は、光反射特性を有する何らかの適する物質、好ましくはアルミニウム、銀、又は双方の層の組み合わせからなってよい。銀の場合、最初に接着促進層を施与することが好ましい。TiO2及びZnOは、接着促進層に好適な物質の例であり、好適な厚み、例えば約80nmに施与された場合、反射特性を有する利点がある。
【００２２】
本発明に従う複合屋根外被部材は、従来の複合屋根外被部材（薄膜状太陽電池シートがフィラー内にキャストされているか、例えば銅板で作られた耐負荷能力を有する剛性の耐候性担体上に存在する）より速い応答速度を有する。本明細書において、応答速度は、放射強度が変化した際に加熱されるべき物体の温度が変わる速度を意味する。従って応答速度は、正味フラックス（熱流）の単位変化及び単位時間当たりの温度変化と定義され、単位K/Ｊを有する。
【００２３】
本発明に従う複合屋根外被部材の場合、薄膜状太陽電池シート自体の応答速度と、熱が消失される媒体の応答速度とを区別することが可能である。後者の値は、屋根外被部材の応答速度とも言われる。薄膜状太陽電池シート自体の応答速度は、複合屋根外被部材の応答速度の第１の指標である。本発明に従う屋根外被部材で使用される薄膜状太陽電池シートは、好ましくは5.7×10-４K/Ｊより大きい、より好ましくは11×10-４K/Ｊより大きい応答速度を有する。
【００２４】
複合屋根外被部材中の加熱されるべき媒体が空気である場合、屋根外被部材の応答速度は、好ましくは5.7×10-４K/Ｊより大きく、より好ましくは11×10-４K/Ｊより大きい。複合屋根外被部材中の加熱されるべき媒体が水である場合、屋根外被部材の応答速度は、好ましくは1×10-4K/Ｊより大きく、より好ましくは2×10-４K/Ｊより大きい。
【００２５】
本発明に従う複合屋根外被部材は、種々の形態に構成することができる。それは、電気及び熱水を同時に生成するのに適し得る。あるいは、電気及び熱空気を同時に生成するのに適し得る。個々の環境に応じて、他の気体状又は液状の媒体を加熱してもよい。
【００２６】
本発明に従う複合屋根外被部材は、例えば、上部から低部の順に、単数又は複数の透明層、薄膜状太陽電池シート、及び熱絶縁物質を含んでよい。透明層と薄膜状太陽電池シートの間及び/又は薄膜状太陽電池シートと熱絶縁物質との間には、加熱されるべき媒体、例えば空気、を含む空間がある。この場合、単数又は複数の透明層は、可視光について70％を超える透過度及び４W/m2.K未満のｋ値を有する。ｋ値は、パネルの絶縁性能について当業界で従来使用されているパラメータである。
【００２７】
本発明に従う複合屋根外被部材が、空気加熱に適する屋根外被部材に関して以下にかなり詳細に記載されるが、当業者には、異なる媒体の加熱も対応する方法で行うことができることは明らかであろう。
【００２８】
電気と熱空気とを同時に生成するのに適する、本発明に従う複合屋根外被部材において、薄膜状太陽電池シートは、冷たい空気が一方の側で導入され、他方側で熱い空気が排出されるところの空間内に存在する。空気の供給及び排出は、自然の通風又は換気プラントによりもたらされてよい。
【００２９】
屋根外被部材において、薄膜状太陽電池シートは自由に吊り下げられて、薄膜状太陽電池シートのいずれの側においても空気が自由に通過するように設置されてよい。所望であれば、薄膜状太陽電池シートは、複合屋根外被部材において、絶縁特性の良い剛性の基体上に設置されてもよい。後者の場合、基体の熱容量は薄膜状太陽電池シートと該剛性基体との合計熱容量が3000J/m2Kを超えないように低くなければならない。好ましくは、薄膜状太陽電池シートと剛性基体との合計熱容量が900J/m2K未満、より好ましくは450J/m2Kである。
【００３０】
エネルギー効率に関して、薄膜状太陽電池シートを空気チャンバー内に設置して、薄膜状太陽電池シートが、いずれの側を通過する空気とも接するようにすることが好ましい。堅固であるという理由から、剛性の基体の使用が好ましい。剛性の基体は、例えば（発泡）プラスチック又は類似の物質から作られ、可能な限り薄く構成される。
【００３１】
空気チャンバーは、入射太陽光を受ける側においても十分に絶縁されねばならない。これは、生成された熱が外の空気へと消散しないようにするためである。好適な絶縁最上層を設けることによってこれを達成できる。上述のように、この最上層は、好ましくは可視光に対して70％より高い透過度、及び、４W/m2.K未満のｋ値を有する。従前遵守されたように、薄膜状太陽電池シートは平らに設置される必要はない。欧州特許第0  820  105号に記載されるような形状に、もしくは何らかの他の或る形状に設置されることができる。
【００３２】
本発明に従う複合屋根外被部材を用いて最も効率的に熱水を得る方法は複合屋根外被部材内で熱空気を生成し、これを用いて熱交換器により熱水を生成することである。
【実施例】
【００３３】
実施例１
電気と熱空気とを同時に生成するための複合屋根外被部材を、上部から低部の順に以下の部材で構成する：気候の影響に対するシーリング、プラスチックの透明な絶縁キャビティプレート（その下を空気が流れることができる）、発泡プラスチック絶縁層上の薄膜状太陽電池シート及び屋根層。屋根外被部材には、冷たい空気の入り口及び熱い空気の出口をそれぞれ設ける。空気は薄膜状太陽電池シートと透明絶縁プラスチックプレートとの間の空間で加熱される。
薄膜状太陽電池シートは、プラスチック担体、その上に積層されたアルミニウム裏面電極（それは反射鏡としても働く）、アモルファスシリコンからなる光起電性層、及び透明前面電極としてのフッ素ドープされた酸化錫層からなる。該薄膜は、ポリマーの保護最上層により覆われる。薄膜状太陽電池シートは、熱容量440J/m2K、厚み250μm、及び単位表面積あたりの重量300g/m2を有する。薄膜状太陽電池シート及び発泡プラスチックプレートは合わせて2500 J/m2Kの熱容量を有する。
薄膜状太陽電池シートは、応答速度2.2×10-3K/Ｊを有する。
屋根外被部材は応答速度6.7×10-4K/Ｊを有する。