(57)【要約】【課題】  裏面反射層が、ＡｇまたはＣｕまたはＡｕで構成される太陽電池において、パーシャルシェードに起因する太陽光発電システムの故障を抑制しフィールドでの耐久性の向上を図る。【解決手段】  少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ＯＮ電圧Ｖａ未満の電圧を印加する手段を有する事を特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ＯＮ電圧Ｖａ未満の電圧を印加する手段を有する事を特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ＯＮ電圧Ｖａ未満の電圧を印加する事を特徴とする太陽光発電システムの短絡故障の抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パーシャルシェードに起因する太陽光発電システムの故障を抑制するためのシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光起電力素子を応用した太陽電池による太陽光発電は、火力発電、水力発電、原子力発電などの既存発電方法を使用することにより生じる様々な環境問題を解決する代替エネルギー源として大きな可能性を秘めている。
【０００３】
近年、クリーンエネルギーである太陽光をエネルギー源とする太陽光発電は、地球環境に対する影響が極めて少ないため、国内外ともに徐々に普及しつつある。
【０００４】
従来、太陽光発電に用いられる太陽電池の光起電力層を形成する材料としては、単結晶または多結晶のシリコンが多く用いられてきた。しかし、これらの太陽電池では結晶の成長に多くのエネルギーと時間を要し、またその後も複雑な工程が必要となるため量産効果があがりにくく、低価格での提供が困難であった。
【０００５】
このため、Ｗｈあたりの発電システムのコストが既存発電方法より高くなり、結果的に太陽光発電の普及の弊害になっている。
【０００６】
この問題を解決するために、アモルファスシリコンやＣｄＳ、ＣｕＩｎＳｅ２などの化合物を用いた、いわゆる薄膜半導体太陽電池が盛んに研究、開発されてきた。これらの太陽電池では、ガラスやステンレスなどの安価な基板上に必要なだけの半導体層からなる光起電力層を形成すればよく、その製造工程も比較的簡単であり、低価格化できる。しかしながら、薄膜系太陽電池は、その変換効率が結晶系シリコン太陽電池に比べて低いため、これまで発電用太陽電池としての本格的な普及に至っていない。
【０００７】
前記、薄膜系太陽電池の変換効率を改善するための方法の一つに、裏面反射層を設ける方法が従来から知られている。
【０００８】
裏面反射層は、薄膜半導体層から成る光起電力層が成膜される基板表面の光の反射率を高めるために設けられる。裏面反射層は、光起電力層で吸収されなかった入射太陽光を、反射させ、再び光起電力層に戻し、吸収を促す機能を持つ。この裏面反射層は基盤表面の電極を兼ねるため、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の反射率及び電導率が良好な金属材料が好適に用いられる。例えば、特許文献１（特開平０６−０８５２９９号公報）を参照。
【０００９】
特に、Ａｕ、Ａｇは可視光の殆ど全波長領域で９５〜９８％の反射率を示すことから、裏面反射層の構成材料として最も好ましい。Ｃｕは波長６００ｎｍより短い波長領域では反射率が６０％程度とかなり低いが、６００〜１０００ｎｍ程度の波長領域ではＡｇと殆ど遜色のない高い反射率を示す。また、半導体からなる光起電力層を透過する際に波長６００ｎｍ以下の光は殆ど吸収されてしまうので、金属層はこの範囲の光に対して反射率が高ければ十分である。しかし、ＣｕはＡｇやＡｕと比較してコスト的に有利と言える。Ａｌはコスト的には使用しやすい金属であるが、反射層として重要な６００〜１０００ｎｍ程度の比較的長波長の領域では、反射率が８５〜９０％程度であり、Ａｇに比べるとかなり低いことが大きな欠点であり、近年では、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕを裏面反射層に用いる検討がなされている。
【特許文献１】特開平０６−０８５２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、変換効率の向上のために反射率の高いＡｇやＣｕあるいはＡｕを裏面反射層として用いた薄膜光起電力素子を屋外環境で長期間使用すると、光起電力素子の光起電力層の膜質の悪いものでは、時としてシャント抵抗が低下し、その結果として変換効率の低下が見られることが判明した。
【００１１】
これについて代表的な事象として、積雪地域に数年間にわたり設置した、裏面反射層にＡｇを用いたアモルファスシリコン太陽電池モジュール（半導体層厚約３００ｎｍ）の冬季から春季にかけてのシャント抵抗低下の現象で説明する。
【００１２】
上記太陽電池モジュールのシャント抵抗低下の原因を分析するため、太陽電池モジュールのシャント抵抗が低下した箇所を特定する。光起電力素子の順方向に電流を通電した場合の温度分布を遠赤外線利用の表面温度画像化カメラ（三菱電機製サーマルィメージャーＩＲ−５１２０Ｃ、以下ＩＲカメラと略記する）を使用すると温度分布の違いから短絡箇所を特定することができる。短絡箇所を光学顕微鏡で調べると、直径１０〜３０μｍ程度の金属光沢をもったスポットが見出せる。さらに、このスポットをＸ線マイクロアナライザー（堀場製作所製ＥＭＡＸ−５７７０、以下ＸＭＡと略記する）で分析すると、このスポット部分では周囲に比べて著しく強いＡｇの信号が検出される。これから、何らかの原因で裏面反射層のＡｇが表面に析出したと考えられ、その結果、光起電力素子の裏面反射層と表面電極間で短絡が発生し、本来外部に取り出されるべき出力電流の一部が失われ、光起電力素子の効率が低下するものと推察される。
【００１３】
この太陽電池モジュールは、積雪に起因する水分の侵入があり、太陽電池モジュールの一部に太陽光が当たらない（パーシャルシェード）状態が長期間続いていたと考えられる。
【００１４】
通常、太陽電池としての長期信頼性を確保するためには、太陽電池として使用する光起電力素子を透明度の高い封止材料で封止する必要があり、封止材料として一般的に、フッ素系フィルムやＥＶＡ樹脂等が使用される。太陽電池の設置環境にもよるが、長期間の屋外曝露では水分の透過を完全に阻止することは困難で、その結果として封止材料の劣化が起こる。表面材料をガラスにすれば、表面からの水分の透過を抑えられるので改善が図れるものの、ガラスと光起電力素子との張り合わせ端部からの水分の浸入を抑えきれないので、効果は完全ではない。
【００１５】
太陽光発電システムにおいて積雪等によりシステムを構成する太陽電池モジュールの一部が遮光されたパーシャルシェード状態で太陽光の入射があった場合、遮光された光起電力素子はシステム電圧で逆バイアスされることになる。
【００１６】
図７は太陽電池モジュールの等価回路を示しており、７０１は光起電力素子、７０２は寄生ダイオード、７０３は光起電流源、７０４はシャント抵抗（並列抵抗）、７０５はシリーズ抵抗（直列抵抗）、７０６はバイパスダイオードである。
【００１７】
通常、太陽電池モジュールは光起電力素子７０１の保護のため、光起電力素子７０１と並列にバイパスダイオード７０６を接続する。これにより光起電力素子７０１に印加される逆バイアス電圧は、バイパスダイオード７０６により緩和される。しかし、バイパスダイオード７０６のＯＮ抵抗は０ではないので、光起電力素子７０１の正負両極間には逆バイアス電圧が残り、約０．７〜１．５Ｖ程度は逆バイアス電圧が印加されることになる。
【００１８】
上記電圧は、裏面反射層を構成する金属材料の酸化還元電位よりも高く、化学反応を起こさせるには十分な電圧である。
【００１９】
一方、湿度が十分にあり、前述した電圧以上の電圧が印加されている状況下では、裏面反射層の構成材料であるＡｇは、イオンマイグレーション（以下マイグレーションと略記する）と呼称される現象を起こすことが知られている。
【００２０】
以上から、故障した太陽電池モジュールは、裏面反射層の構成材料であるＡｇのマイグレーションが原因と考えられる。
【００２１】
このようなマイグレーションによるシャント抵抗の低下は、裏面反射層にＡｇ以外にも比較的マイグレーションが起こりやすいＣｕやＡｕにおいても同様に発生すると思われる。
【００２２】
本発明は、上述したマイグレーションによる光電変換効率の低下のメカニズムを踏まえ、裏面反射層にＡｇ、Ｃｕ、Ａｕを使用した太陽電池モジュールの短絡故障を抑制する太陽光発電システム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の太陽光発電システムは、少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ＯＮ電圧Ｖａ未満となる範囲の電圧を印加する手段を有する事を特徴とする。
【００２４】
本発明の太陽光発電システムの短絡故障抑制方法は、少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ＯＮ電圧Ｖａ未満となる範囲の電圧を印加する事を特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の太陽光発電システムの短絡故障抑制方法により、裏面反射層が、ＡｇまたはＣｕまたはＡｕで構成される太陽電池において、太陽光発電システムの短絡故障を抑制できフィールドでの耐久性が向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に係わる太陽光発電システムの短絡故障抑制方法の一実施の形態を、図１から４を用いて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の太陽光発電システムの概略図である。
【００２８】
太陽電池モジュール１０１は、逆流防止ダイオード１０２を介してインバーターシステム１０３に接続される。図１では、太陽電池モジュール１０１が４並列接続されている。太陽電池モジュール１０１は、ストリングと呼称される複数の太陽電池モジュールを直列接続した形態でもよい。太陽電池モジュール１０１の直並列数は、個々のシステムに合った接続設計を行えばよい。
【００２９】
太陽電池モジュール１０１に対し、夜間に順方向バイアス電圧を印加するためのシステムが、バイアス電源１０５及び切り替え手段１０４である。夜間、つまり日射が無い状態では切り替え手段１０４がＯＮになりバイアス電源１０５からのバイアス電圧印加に切り替わる。また、日射がある場合は、切り替え手段１０４はＯＦＦとなりバイアス電源１０５は切り離され、バイアス電圧印加は停止する。
【００３０】
尚、ここで言う順方向バイアス電圧とは太陽電池モジュール１０１内にある光起電力素子の寄生ダイオードに対する順方向電圧を指している。
【００３１】
Ａｇ等の裏面電極材料のからの金属イオンが表面電極側に移動していた場合は、バイアス電源１０５による順方向バイアス電圧を加えることで、裏面電極側に再移動させる。但し、既にマイグレーションが十分進行し短絡してしまった光起電力素子に対しては上記バイアス電圧が掛からなくなるので回復させることはできない。よって、太陽光発電システム設置時点から本発明の性能低下抑制システムを同時に稼動させる必要がある。
【００３２】
設置される太陽電池モジュール１０１は、それを構成する個々の光起電力素子の暗状態でのシャント抵抗値が出来る限り揃っている方が望ましい。これは、バイアス電源１０５により順方向バイアス電圧を印加した場合に太陽電池モジュール１０１を構成する個々の光起電力素子に、等しい順方向バイアス電圧を与えることが出来るからである。シャント抵抗値にバラツキが生じると個々の光起電力素子に掛かる順方向バイアス電圧も比例してばらつくことになる。これは、短絡故障抑制効果にバラツキが生じることになる。太陽電池メーカーの量産工場で安定的に生産される光起電力素子では、シャント抵抗値も管理され、そのバラツキも抑えられているので問題はないが、より積極的に管理するためには生産された光起電力素子をシャント抵抗値でランク分けしシャント抵抗値が揃った光起電力素子で太陽電池モジュール１０１を製造すればよい。
【００３３】
暗状態でのシャント抵抗の測定方法は、光起電力素子あるいは太陽電池モジュール１０１を暗室等の光が入射しない状態に置き、ＩＶ特性を測定することで、その傾きから求めることが出来る。簡易的には、前述した寄生ダイオードがＯＮしない程度の電圧を印加した場合のリーク電流値から求めることも出来る。
【００３４】
尚、ここで言うダイオードがＯＮする電圧とは、ダイオードのアノードとカソード間に急激に電流が流れる変極点となる順方向の印加電圧であるが、これについては後述するので、ここでは詳しい説明を省略する。
【００３５】
切り替え手段１０４には、ダイオードや電磁継電器が使用できる。
【００３６】
図２は、切り替え手段１０４にダイオード２０４を使用した場合である。日射が無くなり太陽電池モジュール２０１の出力電圧が、バイアス電源２０５にあらかじめ設定されたバイアス電圧以下になるとダイオード２０４を介してバイアス電源２０５から電流が流れ込み、やがて、バイアス電源からの順方向バイアス電圧印加状態になる。日射がある場合は、太陽電池モジュール２０１の出力電圧の方がバイアス電源２０５より高くなるので、ダイオード２０４からの電流の流れ込みは無くなりバイアス電源からの順方向バイアスの印加は解除される。
【００３７】
図１におけるバイアス電源１０５の設定電圧は、太陽電池モジュール１０１の直列数すなわち出力電圧とインバーター１０３の起動電圧によって決められる。個々の太陽光発電システムでは、太陽電池モジュール１０１の直列数は区々であるためバイアス電源１０５の設定電圧もそれぞれに対応した設定電圧となる。このため太陽光発電システム設置時にバイアス電源１０５の出力電圧も同時に設定する必要がある。また、バイアス電源１０５の機能をインバーター１０３にあらかじめ盛り込むことも省スペースのためには有効である。
【００３８】
バイアス電源１０５の設定電圧の下限値は、裏面電極層に使用されている金属材料の種類と太陽電池モジュール１０１を構成する光起電力素子の直列数で決まる。前記設定電圧は、（裏面電極層に使用されている金属の酸化還元電位）×（太陽電池モジュール１０１を構成する光起電力素子の直列数）以上としなければならない。この下限値未満の電圧では酸化還元反応が起こらないためである。尚、裏面電極層に使用されている金属材料の酸化還元電位としては、Ｃｕが０．３Ｖ、Ａｇが０．８Ｖ、Ａｕが１．５Ｖ程度である。
【００３９】
バイアス電源１０５の設定電圧の上限値は、（前述した光起電力素子の寄生ダイオードがＯＮする電圧：Ｖａ）×（太陽電池モジュール１０１を構成する光起電力素子の直列数）未満であればよい。本電圧値未満なら微量の電力で目的は達成することができるからである。光起電力素子の寄生ダイオードがＯＮする電圧Ｖａは以下の手順で求めることが出来る。
【００４０】
太陽電池モジュール１０１あるいは太陽電池モジュール１０１を構成する光起電力素子単体の暗状態のＩＶ特性を求める。
【００４１】
Ｖａは、図６に示すように光起電力素子のＩＶ特性が十分に立ち上がった付近に漸近線を引き、その漸近線と横軸との交点の電圧とする。印加電圧がＶａ以上であるとＩＶ特性は急激に立ち上がっていることは図６のグラフより明らかである。
【００４２】
Ｖａは、光起電力素子の種類により変化するが通常その電圧値は、結晶系シリコン光起電力素子で０．４〜０．９Ｖ程度、シングルアモルファスシリコン系光起電力素子で０．５〜０．７Ｖ程度とされている。図６は、トリプル型アモルファスシリコン光起電力素子の例を示したもので、Ｖａは約２Ｖである。上記のように積層型光起電力素子の場合は、積層数に比例してＶａが大きくなる。
【００４３】
前記、電圧Ｖａ以上の電圧を光起電力素子に印加すると光起電力素子に大電流が流れ電力消費が発生する。本発明ではこのような大電力は必要ではなく、太陽電池モジュール１０１を構成する光起電力素子の寄生ダイオードがＯＮしない状態で且つ、酸化還元反応に必要な微小な電力さえあればよいので光起電力素子に印加する順方向バイアス電圧はＶａ未満で出来る限り低い方が好ましい。
【００４４】
また、アモルファスシリコン太陽電池の場合は、順方向電流の注入により変換効率が劣化する特性が知られておりＶａを超える順方向バイアス電圧とすると大電流が流れ、変換効率の劣化を加速することになる。
【００４５】
尚、図２の構成の場合は、（Ｖａ）×（光起電力素子の直列数）がインバーター１０３の起動電圧以上ではインバーター１０３が動作してしまい誤動作の原因となるので、バイアス電源１０５の設定電圧は、（Ｖａ）×（光起電力素子の直列数）未満且つ、インバーター１０３の起動電圧未満に設定するのは言うまでも無い。
【００４６】
バイアス電源１０５は、市販の直流安定化電源やバッテリー等が使用できる。本発明の太陽光発電システムの短絡故障抑制システムでは、前述したように光起電力素子の寄生ダイオードがＯＦＦである領域での電圧印加となるため大電力は必要なく、小型の電源設備でよいというメリットも生じる。
【００４７】
尚、バイアス電源１０５の設定電圧は、太陽光発電システムとして設置終了後に太陽光発電システムの夜間のＩＶ特性を実測し前述したＶａと同様な方法で求めることが最も好ましいが測定のために大電力電源が必要になる等、設備の点で実測は非常に困難である。そこで、太陽電池モジュール１０１あるいは太陽電池モジュール１０１を構成する光起電力素子単体を一つ選び、これの暗状態でのＩＶ特性からＶａを求め、これに光起電力素子の直列数を乗算して求め代用することもできる。
【００４８】
図３は、切り替え手段１０４に電磁継電器３０４等の外部信号で制御できるスイッチを使用した場合である。この場合は、電磁継電器３０４の切り替えタイミングを制御するために、日射の有無を検出しなければならない。簡易的には、太陽電池モジュール３０１の出力電圧をモニターする手段３０９を設けて、これにより検出してもよい。また、光センサー３０６を別途設置して日射検出してもよい。また、光センサー３０６を使用せず、カレンダー手段（不図示）を設け、予め電磁継電器３０４の開閉時刻をプログラミングし十分日射が低下している時刻に電磁継電器３０４を開閉させてもよい。
【００４９】
電磁継電器３０４の開閉制御は、シーケンサーやコンピューターで構成される制御装置３０８で行う。太陽電池モジュール３０１の出力電圧や光センサー３０６からの信号（日射の有無）を監視し電磁継電器３０４の開閉を行う。この場合は、バイアス電源３０５の主電源開閉等も同時に行うようにすれば、待機電力を少なくできる。
【００５０】
また、図４に示すように電磁継電器４０４に連動する別の電磁継電器４０７を追加して、太陽電池モジュール４０１をインバーター４０３から完全に切り離しても良い。図４のシステム構成とすれば、バイアス電源４０５にはインバーター４０３の起動電圧値に関係なく、（Ｖａ）×（光起電力素子の直列数）の電圧が設定でき、さらにインバーター４０３の誤動作を防止できる。
【００５１】
以上のような実施形態を使用することにより太陽光発電システムが稼動していない夜間に太陽電池モジュール１０１に対し順方向バイアス電圧を印加することが出来、マイグレーションが進行中の太陽電池モジュール１０１については、太陽光発電システムの短絡故障が抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態である太陽光発電システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態である太陽光発電システムの構成図である。
【図３】本発明の一実施形態である太陽光発電システムの構成図である。
【図４】本発明の一実施形態である太陽光発電システムの構成図である。
【図５】従来の太陽光発電システムの構成図である。
【図６】本発明の順方向バイアス電圧を設定するためのグラフである。
【図７】太陽電池モジュールの等価回路図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１  太陽電池モジュール
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２  逆流防止ダイオード
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３  インバーター
１０４  切り替え手段
２０４  スイッチング用ダイオード
１０５、２０５、３０５、４０５  バイアス電源
３０４、４０７  電磁継電器
３０６、４０６  光センサー
３０８、４０８  制御装置
３０９、４０９  電圧モニター手段
７０１  光起電力素子
７０２  寄生ダイオード
７０３  光起電流源
７０４  シャント抵抗（並列抵抗）
７０５  シリーズ抵抗（直列抵抗）
７０６  バイパスダイオード
【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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