(57)【要約】 【課題】低コストでバイパスダイオードの熱消費を改善する太陽電池モジュールを提案することである。【解決手段】１個もしくは複数の太陽電池セルを直列に接続すると共にガラス６とポリマー３，５の積層内に、少なくとも１個の太陽電池セル４を通過する電流を迂回するために配置される電子保護装置、例えばバイパスダイオード、と一緒に設置して成る太陽電池モジュール。半導体回路５である電子保護装置は、それ自身積層３内に配置される。半導体回路５により発せられた熱エネルギーを消費する目的のために、半導体回路５は、積層３内に配置された少なくとも１個の平らな帯状金属に電気的に接続される。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個もしくは複数の太陽電池セルを直列に接続すると共にガラスとポリマーの積層内に配置し、少なくとも１個の太陽電池セルを通過する電流を迂回するために配置される電子保護装置、例えばバイパスダイオードと、半導体回路である電子保護装置が積層内に配置されて成る太陽電池モジュールにおいて、半導体回路は、半導体回路により発せられた熱エネルギーを消費する目的のために、積層板内に配置された少なくとも１個の平らな帯状金属によってモジュールのセルに電気的に接続されることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
該半導体回路は、２個の平らな帯状銅によって太陽電池セルに接続され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】
該半導体回路は、太陽電池セル上に半田付けされた電子チップであ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４】
各太陽電池セルは、ガラス板とポリマー層の間に挿入され、該半導体保護回路は、セルとポリマー層との間に配置され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５】
該半導体回路は、２個の隣接する太陽電池セル間に配置され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６】
該半導体回路は、多結晶材から成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７】
該半導体回路は、良好な熱伝導性を備える金属板上に取り付けられ、該金属板は熱エネルギー消費のための放熱器として働く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８】
該半導体回路が、太陽電池セル内に集積化され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９】
各太陽電池セルが、それぞれに保護半導体回路を有して設けられ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１０】
更に、太陽電池セル用の監視及び・又は制御回路から成り、該監視及び・又は制御回路は、該積層内に配置された半導体回路であ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１１】
該監視及び・又は制御回路は、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴあるいはＧＴＯ型の半導体回路であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するために利用する太陽電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、そのような太陽電池のモジュールが、１２ワット（Ｗ）から２３０（Ｗ）範囲の電力が得られるように設計されている。それらは、直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）の提供用に、大量に国内の応用に使われる。例えば、それらは、隔離された、あるいは電源供給分配網に接続された施設で利用される。
公共利用の電源供給網
個別用：照明、ラジオ、テレビ、家庭用小型機器
公共照明用：宣伝広告板用、バス停車場所用
地方の電源用
ポンプ用
通信用：携帯通信（ＧＳＭ）機器用のグローバルシステム内リレーや基幹システム用、隔離された加入者機器用
信号用：道路用、海用、ラジオ、テレビ
【０００３】
一般的に、太陽電池モジュールは、Ｎ個の太陽電池セル、例えば３６のセル、が錫メッキされた平らな帯状の銅によって直列に互いに接続されて構成される。特に、太陽電池セルは、シリコンを溶かす際にホウ素をＰ型としてドープし、それらの入射面上にリンをＮ型としてドープする多結晶シリコンの基板上に作られる単接合太陽電池セルである。積層は、セルが作られるシリコンを酸化や湿気から保護するために、太陽電池セルを被覆するエチル酢酸ビニル（ＥＶＡ）によって構成され、また、太陽電池セルは、艶消しガラス板と、例えば、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）製のフッ素加工のポリビニールであるＴｅｄｌａｒ（登録商標）で作られたポリマーシートの間に綴じこまれている。その構造は、太陽電池のモジュールが熱帯、北極、南極あるいは海などで見出されるような最も苛酷な大気や環境条件に耐えることを可能にする。
【０００４】
太陽電池モジュールで得られた電流Ｉｍはモジュール内の各太陽電池セルによって生成された電流Ｉｃに等しい。電流Ｉｃは、主に光量及び、作られたシリコンの品質や大きさのようなセルの物理的特性に依存する。モジュールにより得られた電圧Ｖｍは、光を受けたときのモジュール内の各太陽電池セルによって得られた電圧Ｖｃの総和であり、以下の関係式で与えられる。
Ｖｍ＝Σi=1 to NＶｃi
【０００５】
モジュールの太陽電池の１つの光がさえぎられたとき、すなわち、それが損傷によってあるいは不透明な材料、例えば木の葉、によって覆われることで光を受信しない時、そのとき、セルは、もはやいかなる電気エネルギーも獲得しない。しかしながら、それは、抵抗を増加し、直列に接続する他のセルによる生成された電気エネルギーを受け取ることができる。結果として、遮蔽セルの両端電圧Ｖｏは、逆向きになり、それからモジュールの他のすべてのセルにまたがる電圧の総和と等価である電圧に達することができる、この等価電圧は以下の関係式で計算される。
Ｖｏ＝−Σi=1 to N-1Ｖｃi
【０００６】
モジュール内の他のすべてのセルによって生成された最大電力に到達することができる遮蔽セルによって受け取られた電力Ｗｏは、遮蔽セルが加熱されることにより、それを破壊し、また積層やモジュールに損傷をもたらすことができる。
【０００７】
遮蔽セルによって受け取られたこの電力は、以下の関係式で表される。
Ｖｏ＝Ｉｍ  ＊  Ｖｏ
【０００８】
遮蔽セルの熱及び太陽電池モジュール内でのそれによるエネルギー損失を減らすために、直列接続したいくつかの太陽電池セル、例えば１８個、に並列に接続するバイパスダイオードを用いることが行われている。だから、モジュールは、セルの数個のグループのそれぞれのひとつに並列に接続した複数のバイパスダイオードを含むことができる。結果として、遮蔽セルは、バイパスダイオードが電流を導通し始め、それにより遮蔽セルが受ける電力が制限されるので保護される。だから、遮蔽セルは少ししか温度が上がらず、しかし代わりにバイパスダイオードの温度は上昇する。ダイオードによる電力消費は、ダイオードにかかる直流電圧とそれを流れる電流との積に等しく、ここでの電流は、外部回路を通じて流れる電流と遮蔽セルを通じて流れる電流の差分である。更に、遮蔽セルは、モジュール内の同じバイパスダイオードによって保護された同じセルグループ内の他の太陽電池セルにより得られた電力のみを受け取る、それにより、温度上昇範囲を制限して、モジュールからのエネルギー損失を減らしている。バイパスダイオードにより保護されるセルグループ内のセルの数が少ないほど、温度上昇が制限される範囲が大きく、エネルギー損失が小さい。
【０００９】
既知の太陽電池モジュールにおいて、バイパスダイオードは、モジュールの積層構造から離れた接続箱内におかれる。接続箱内のバイパスダイオードによって消費された熱は、十分とはいえない。加えるに、新しい品質基準ＩＥＣ６１２１５Ｅｄ．２の申請、保護ダイオードが満たすべき大変厳しい試験基準、が近々効力を発揮する。厳しい試験基準は、バイパスダイオードによる熱消費の量を増加の方向に導く。それで、接続箱内に置かれたバイパスダイオードの温度は、承認された制限値を超える適切な値へあがる。
【００１０】
従来技術では、米国特許ＵＳ−６２２２５７９３、そこではモジュールのコストが著しく増加する、に開示されているような電力バイパスダイオードを利用しないで、あるいはバイパスダイオードの上に放熱器を設置しないでは、新しい基準を満足することはできない。  
【００１１】
加えるに、監視やモジュール制御用に他の半導体回路、例えば、金属酸化シリコン電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ），サイリスタまたはゲート遮断サイリスタ（ＧＴＯ）型の回路を接続箱に入れることは、接続箱と太陽電池セル間の配線の複雑さが増大する。
【００１２】
文献ＷＯ９９／６２１２５において、バイパスダイオードは、太陽電池セル上の積層に取り付けられている、それで、太陽電池セルは、バイパスダイオードによって提供された熱を消費するが、しかしこの消費は十分ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、低コストでバイパスダイオードの熱消費を改善する太陽電池モジュールを提案することにより、上述の欠点を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これを終わらせるために、本発明は、１個もしくは複数の太陽電池セルを直列に接続すると共にガラスとポリマーの積層内に配置し、少なくとも１個の太陽電池セルを通過する電流を迂回するために配置される電子保護装置、例えばバイパスダイオードと半導体回路である電子保護装置が積層内に配置されて成る太陽電池モジュールにおいて、半導体回路は、半導体回路により発せられた熱エネルギーを消費する目的のために、積層板内に配置された少なくとも１個の平らな帯状金属によってモジュールのセルに電気的に接続されることを特徴とする太陽電池モジュールを提供するものである。
【発明の効果】
【００１５】
太陽電池モジュールでのバイパスダイオードと太陽電池セルのこの配置は、いくつかの配線を省略することを可能にする。そこでは、バイバスダイオードで太陽電池モジュールを保護するために、平らな帯状金属を積層の外部に延ばすいかなる必要性ももはやない。平らな帯状金属は、周囲の素子及びモジュールの外部との大きな熱交換を確立することにより半導体の熱消費を改善するために働く。
【００１６】
本発明の好ましい具体例では、半導体回路は、２個の平らな帯状銅によって太陽電池セルに接続される。
【００１７】
本発明の他の好ましい具体例では、半導体回路は、太陽電池セル上に半田付けされた電子チップである。
【００１８】
本発明の他の好ましい具体例では、各太陽電池セルは、ガラス板とポリマー層の間に挿入され、半導体保護回路は、セルとポリマー層との間に配置される。そして、バイパスダイオードは、ポリマー層により及び良好な熱伝導を提供する太陽電池セルにより熱エネルギーを消費することができる。
【００１９】
本発明の他の好ましい具体例では、半導体回路は、２個の隣接する太陽電池セル間に配置される。
【００２０】
本発明の他の好ましい具体例では、半導体回路は多結晶材から成る。バイパスダイオードは、非常に高い性能であることを必要としない、そして多結晶材の利用で適切なコストでうまく作ることができる。
【００２１】
本発明の他の好ましい具体例では、半導体回路は、良好な熱伝導性を備える金属板上に取り付けられ、該金属板は熱エネルギー消費のための放熱器として働く。
【００２２】
本発明の他の好ましい具体例では、半導体回路が、太陽電池セル内に集積化される、それにより、モジュール保護目的のためのセル間のすべての配線をなくす。
【００２３】
本発明の他の好ましい具体例では、各太陽電池セルが、それぞれに保護半導体回路を有して設けられる。各太陽電池セル上に並列のバイパスダイオードを配置することは、遮蔽セルと対応するバイパスダイオードは、他のセルから分離され、そして他のセルによって供給される電力を消費しないので、遮蔽セルにかかわる問題を制限する。加えるに、そこには、複数のセルをダイオードと並列に接続することを可能にする配線の提供のいかなる必要性ももはやない。
【００２４】
本発明の他の好ましい具体例では、太陽電池モジュールは、更に、太陽電池セル用の監視及び・又は制御回路から成り、該監視及び・又は制御回路は、積層内に配置された半導体回路である。該監視及び・又は制御回路用の半導体回路は、太陽電池モジュールを盗難から防止する、あるいは生成電流へのアクセス権を管理するために、積層内に含めることができる。
【００２５】
本発明の他の望ましい実施例では、監視及び・又は制御回路は、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴあるいはＧＴＯ型の半導体回路である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、複数の並列層が互いに積み重なっている本発明の太陽電池モジュール１の積層を示す図である。太陽電池モジュール１の裏面は、強化ポリマー、例えばＴｅｄｌａｒ（登録商標）シートによって形成され、その上に例えば内臓ポリマー３が配置されている。内臓ポリマーには、おもて面に太陽電池セル４が配列され、そして、格子のなかで、太陽電池セル４のいくつかの下に置かれた半導体回路５と一緒に、それらのうら面を層２の方へ向かせている。最後に、内臓ポリマー３の上に太陽電池モジュールのおもて面を形成するためのガラス板６が置かれる。
【００２７】
太陽電池セル４及び半導体回路５の安全目的のために、内臓ポリマー３は、真空中でＥＶＡ用の約１５０度の温度で硬化させることができる。そのとき、強化ポリマー層２は、その重量を最小化するあいだ、密閉とモジュールのうら面への機械的損傷を防ぐ。
【００２８】
図２は、本発明の積層中の平らな半導体回路の配置を示す。半導体回路５は、内臓ポリマー３内にあり、強化ポリマー層２に近接してある。
【００２９】
遮蔽セルを保護するとき、保護半導体回路（バイパスダイオード）としての半導体回路５は、電流を導通することができる。それは、外部回路に電流を流すために、迂回路を提供し、その電流はもはや遮断セルを通じて流れることはできない。半導体回路が電力を受け取ったとき、温度が上昇しそして熱エネルギーを消費する。熱消費は、太陽電池セル４とガラス板６により容易になされる、それらが非常によい熱伝導を提示しそして放熱器として働くからである。半導体回路５からの熱エネルギーは、この熱エネルギーを内臓ポリマー３とガラス板６の全体領域に交換する太陽電池セル４において消費される。加えるに、内蔵ポリマー３とポリマー層２は、また半導体回路５からの熱消費にたやすく耐える。だから、本発明の積層中に置かれた半導体回路５は、接続箱に置かれた同じような半導体回路に比して十分に温度上昇が低くなる。
【００３０】
図３は、遮蔽太陽電池セルの温度上昇に対して太陽電池モジュールを保護するためのバイパスダイオードを構成する平らな保護半導体回路５ａ（電子チップ）を示す。２個の平らな帯状金属７ａと７ｂは、例えば、錫メッキ銅で作られており、また材質は非常に良好な熱及び電気伝導を示す、バイパスダイオード５ａの入出力に（半田により）接続される。厚みが２２０マイクロメータ（μｍ）、幅が３ミリメータ（ｍｍ）の帯状銅７ａは、陽極（アノード）を構成し、保護されるセルの電位より高い電位の太陽電池セル（図示せず）に接続される。厚みが２２０マイクロメータ（μｍ）、幅が５ミリメータ（ｍｍ）の帯状銅７ｂは、陰極（カソード）を構成し、陽極に接続されたその電位より低い電位の他の太陽電池セル（図示せず）に接続される。帯状金属７ａと７ｂは、接続間違いを防ぐために異なる幅にしている。帯状金属または配線が互いに交差する場合、それらは絶縁フィルムまた片、例えば、Ｔｅｌｄｅｒ製−ＥＶＡによって互いに絶縁される。
【００３１】
積層内に置かれた２個の平らな帯状銅７ａ、７ｂは、バイパスダイオードとの接触に非常に広い領域を、そしてまた非常に良好な熱伝導を有する。だから、それらはバイパスダイオードからの熱消費を改善する。ダイオードからの熱は、帯状銅７ａと７ｂに伝達される、その理由は、それらが広く平らであり、それらに接続される太陽電池セル４、内臓ポリマー３、あるいは強化ポリマー層２のような周りの素子に熱エネルギーを交換する非常に大きな領域を提供するからである。この改善された熱の拡散と分布が、半導体回路５からの熱の消費を改善する。
【００３２】
また、平坦形状の帯状金属７ａと７ｂは、それらをモジュールの積層内に挿入し、集積化することをたやすくする、それらは、可能な限り平らにする必要がある。
【００３３】
また、ダイオードは、太陽電池セルと平らな帯状銅との間に直接接続してもよい。その場合は、セルと帯状銅内でその熱エネルギーを消費する。
【００３４】
研究室の実験では、本発明による配列のバイパスダイオードの温度上昇は、従来技術の温度上昇に比べて約５５％小さいということを示した。実験は、周囲温度７５°Ｃにおいて実行された、そしてモジュール１の最大動作電流の１．２５倍に等価の電流をバイパスダイオードに印加するよう構成し、その温度が測定された。それから、該最大電流で該バイパスダイオードの使用を有効にするため、検定基準により設定されるように、測定された温度は、部品及びその周辺にある材料に対する使用温度限界と比較された。新基準ＩＥＣ６１３２１５Ｅｄ．２が効力を発するとき、現状、バイパスダイオードには、例えば、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ形状の太陽電池セルを保護するために最大電流１０Ａで動作する能力があることが要求されるけれども、与えられた現行の技術、それは、６アンペアー（Ａ）の最大電流を越えることが不可能になる。本発明の積層内に配置したバイパスダイオードは、新基準の電気的及び熱的特性を満たし、最大電流１５Ａまでを可能とさせる、それにより、現状の要求もまた満たす。
【００３５】
図４は、例えば、銅製のような非常に良好な電気および熱伝導体で作られた良質の金属板９上に配置された保護半導体回路５ａを示す。バイパスダイオード５ａの入力あるいは出力は、平らな帯状金属７ｂのひとつに接続するために使われる銅板に半田付けされる。ダイオードの他の端子は、直接他の帯状銅７ｂに接続される。
【００３６】
銅板９は、放熱器として働き、そしてバイパスダイオード５からの熱の消費を可能とする、更に、周囲の素子および太陽電池モジュール１の外部と熱交換する領域を増加することにより改善する。
【００３７】
図５において、監視及び・又は制御目的の半導体回路５ｂが示され、それは、モジュールの外部と配線、光あるいは電磁波で接続８される。例示の方法で、半導体回路５ｂは、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴあるいはＧＴＯである。モジュールの使用者は、モジュールの積層に置かれる５ｂのような１個または複数の半導体によって太陽電池モジュールの動作を管理及び監視する。この配置は、太陽電池モジュールを窃盗から守ることを可能にする。
【００３８】
それはスイッチまたは回路切断器として用いることができる半導体監視及び・又は制御回路５ｂに達するために、モジュールの積層を開く必要があり、そしてその操作は難しい。監視及び・又は制御半導体回路５ｂは、また、太陽電池モジュールがレンタルで運用されるとき、アクセス権についての効果的制御を生成電力に設けることを可能にする。
【００３９】
図６は、太陽電池モジュールのうら面を示し、そして１２個の直列に接続された太陽電池セル（４１，４２，４３，４４・・・，４１２）を示す。各太陽電池セルのうら面は、次の太陽電池セルのおもて面に電気的に接続される。セル４４のうら面とセル４９のうら面間に、それぞれ帯状銅７ａと７ｂによって図３での５ａのように保護半導体回路が接続されている。そして、半導体回路５ａは、太陽電池セル４５−４９を構成するセルグループと並列に接続される。そして、半導体回路５ａは、太陽電池モジュールの太陽電池セル４５−４９に対して提供すべき保護が可能になる。
【００４０】
半導体回路５ａは、モジュールの積層内に設置されるので、モジュールの積層を離す特定の配線は、もはや必要がない。これは配線長を減らし、ゆえにそれらのコストを減らす、そして、お互いを横切る少しの配線しか必要としないので、配線を簡単にし、ゆえに場所への配線の敷設の作業を簡単にする。
【００４１】
図６から、セル４３とセル４４間接続のように異なる列に所属する太陽電池セル間の電気的接続は、セルの横端を越えて延びる部分があることは明らかである。太陽電池モジュールは、太陽電池モジュールの大きさを減らすために、電気接続部分がセルの端近くでモジュールのうら面に折り重ねられる、ように整えられる。絶縁フィルム、例えば、Ｔｅｄｌａｒ製ＥＶＡは、接続間及び接続とセル間の電気接続の防止を可能にする。
【００４２】
本発明において、モジュール１の各セルには、図７に示すようなバイパスダイオード５ｃを設けることができる。だから、各セルは、セルの遮蔽による過熱にたいして他を独立的に保護する。これは、太陽電池モジュールに対する良好な保護の提供を可能にし、そして、いずれか１個のセルまたは半導体の過熱によるモジュールからのエネルギー損失を避ける。セルが遮蔽される場合、電流は並列に接続されたバイパスダイオードを経由して流れる、しかしエネルギーはほとんど消費されない。半導体回路５ｃによって受け取られたエネルギーは小さいままで、それゆえ、セルを損傷から避け、ゆえに、モジュールを損傷から避ける。
【００４３】
更に、モジュールに保護を提供するに種々のセル間配線は必要とされない、それゆえ、更に、配線密度を減らす。
【００４４】
太陽電池モジュールを保護するために必要とされるバイパスダイオード５ｃは、非常に良い性能を必要としない（低い逆電圧と低い漏れ電流が受け入れられる）。だから、太陽電池セル４を作るために利用された材料と同じ形式の多結晶材の上に作られる保護半導体回路５ｃの利用で十分である。これらの半導体回路５ｃは、電子チップより低品質であるが、それらはより安く、そして太陽電池セルの製造業者によって容易に製作することができる。従って、多結晶半導体回路５ｃを使っている間、太陽電池セル４あたり１個の半導体回路５ｃを適切なコストで装置することが可能である。
【００４５】
図７は、半導体回路５ｃは、太陽電池セルのうら面に直接半田付けされる。この実施例は、更に配線を除くために役立つ。
【００４６】
半導体回路５ｃは、表面マウント部品（ＳＭＣｓ）を使う還流半田付けや低温半田付けによる自動手段での産業規模で、各太陽電池セル４に直接半田付けすることができる。
【００４７】
図８は、部品の材料で、つまり、多結晶シリコンで、太陽電池セル４のうら面上に直接刻んだ集積半導体回路５ｄを示す。妥当な品質の半導体回路５ｄは、最初に各太陽電池セル４に集積される、それゆえ、特定量の半田付けを除去することにより太陽電池モジュール上で実行される必要のある製造操作を減らす。
【００４８】
本発明は、本発明を利用するとき、３０％から５０％の配線が省略できるので、モジュールの配線コストを低減することを可能にさせる。配線の省略により救われた面積は、モジュールの大きさを減じることを可能にする。また、本発明は、半導体回路からの熱の消費を改善することを可能にする、だから、新しい基準ＩＥＣ６１２１５Ｅｄ．２の要求を満たすことを可能にする。
【００４９】
本発明による太陽電池モジュールの種々の具体例を以下に詳細に記載すると共に、添付図面に示す。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の太陽電池モジュールの積層の図である。
【図２】本発明の太陽電池モジュールの積層の一部の略図的断面図である。
【図３】本発明の太陽電池モジュールを保護するための半導体回路の略図である。
【図４】本発明の太陽電池モジュールの板の上に配置された半導体保護回路の略図である。
【図５】本発明の太陽電池モジュールの監視及び・又は制御用半導体回路の略図である。
【図６】本発明の太陽電池モジュールの裏側の略図である。
【図７】本発明の太陽電池モジュール内のそれぞれの半導体回路によって直列に接続され、個別的に保護される２個の太陽電池セルの略図である。
【図８】本発明の太陽電池モジュール内の太陽電池セルの裏側に集積化された半導体回路の略図である。
【符号の説明】
【００５１】
１．  太陽電池モジュール
２．  強化ポリマー
３．  内臓ポリマー
４．  太陽電池セル
５．  半導体回路
６．  ガラス板
７ａ．  帯状金属（金属リボン）
７ｂ．  帯状金属（金属リボン）
８．接続線
【図１】
2005183957.tif 000003
【図２】
2005183957.tif 000004
【図３】
2005183957.tif 000005
【図４】
2005183957.tif 000006
【図５】
2005183957.tif 000007
【図６】
2005183957.tif 000008
【図７】
2005183957.tif 000009
【図８】
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