(57)【要約】【課題】本発明は、太陽電池セルの冷却効率を最大限に向上させた冷却機構一体型太陽電池モジュール、および該モジュールを含む光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】プレート状の基板に直接製作可能な薄膜系の太陽電池において、熱伝導性のプレート部材を太陽電池のセルの基板に採用し、該基板に対し直接的にセルを薄膜形成することによって熱伝導性の基板とセルの密着性を極限まで高めることで、セルから熱伝導基板への伝熱面積を原子レベルで最大限化して、太陽電池セルの冷却効率を極限まで向上させる。【選択図】図２
2007208007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性のプレート状部材と、該プレート状部材を基板としてＰＶＤ法およびＣＶＤ法から選ばれるすくなくとも１つの方法によって形成される薄膜系太陽電池セルとを含み、前記基板は、前記セルが形成される受熱部と前記セルが形成されない放熱部とを備える太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記基板は、金属を含み、前記基板と前記セルとの間に絶縁膜をさらに含む、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記基板は、平板型ヒートパイプである、請求項１および２のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記平板型ヒートパイプは、自励振動式ヒートパイプである、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記薄膜系太陽電池セルは、アモルファスシリコン、ＣＩＳ系化合物、およびＣＩＧＳ系化合物からなる群より選ばれるすくなくとも１つの半導体層を含んで形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールと、
冷媒を貯留可能な冷媒貯留部とを含み、
前記太陽電池モジュールの太陽電池セルが形成されない放熱部が、前記冷媒貯留部内において冷媒に接触可能に配置されている
光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置。
【請求項７】
さらに、前記冷媒貯留部に冷媒を注入および回収可能に設けられた冷媒流路と、
前記冷媒流路を介して前記冷媒貯留部に冷媒を圧送可能な冷媒循環機構とを含む、
請求項６に記載の光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールおよび光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置に関し、より詳細には、太陽電池モジュールの冷却効率を向上させることによってエネルギー変換効率が好適に向上した太陽電池モジュールおよび光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を用いたエネルギー変換システムが用いられてきた。太陽電池を用いたエネルギー交換システムは、火力発電や原子力発電に比べ地球環境を汚染する心配がなく、また、インフラの整備環境に左右されないため、どのような場所でも自在に電気を利用することが可能になることから近年更に注目されてきており、これに伴って太陽電池の光電変換効率の向上に関し種々検討がなされてきた。
【０００３】
この点につき、太陽電池は、セルの温度の上昇に伴って光電変換効率が低下することが知られている。特に、太陽電池システムが屋外に設置される場合、日光の照射によって太陽電池のセルの温度は６０〜８０℃にも達することがあることから、光電変換効率の低下を防止するためのセルの冷却機構について種々検討がなされてきた。同時に、この冷却機構においてセルから吸収した熱を所定の熱輸送機構を用いて利用する光・熱ハイブリッドエネルギー交換システムについても検討がなされており、太陽電池セルの冷却機構の冷却効率の向上の達成によって、システムの光電変換効率の向上を実現すると同時に、熱エネルギーの回収効率を向上させることが期待されていた。
【０００４】
上述した、太陽電池の冷却機構に関し、例えば、特開平９−１８６３５３号公報（特許文献１）には、太陽電池モジュール内において、結晶系の太陽電池セルの近傍に、透明樹脂よりなる充填剤を介在させた形で、熱伝導部材としてのヒートパイプが設けられた構成が開示されている。
【０００５】
また、特開２００２−２４６６３２号公報（特許文献２）には、同じく、充填剤内に封入された太陽電池セルに対し、熱伝導部材としてのヒートパイプを線状に接触させ、該ヒートパイプをインターコネクターと兼用する構成が開示されており、さらに、特開２００５−１９５１８７号公報（特許文献３）には、太陽電池セルの裏面側に、直に熱伝導板が配置された太陽電池パネルが開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示された太陽電池においては、熱伝導部材と被冷却対象である太陽電池セルとが充填剤を挟んで離間しており、この点につき、特許文献２に開示された太陽電池においては、熱伝導部材と被冷却対象である太陽電池セルとは接触してはいるものの、その接触面積は小さく、さらに、特許文献３に開示された太陽電池においては、単に、太陽電池セルの裏面側に熱伝導板が配置されることのみを開示するものであって、太陽電池セルと熱伝導板との接触面の状態についてなんら具体的に開示するものではない。
【０００７】
上述したように、太陽電池の冷却機構については種々検討がなされてきたが、その冷却効率をより一層向上させるために、熱伝導部材を備えた太陽電池モジュールの構造設計についての更なる検討が求められていた。
【特許文献１】特開平９−１８６３５３号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６６３２号公報
【特許文献３】特開２００５−１９５１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、太陽電池セルの冷却効率を最大限に向上させた冷却機構を備える、冷却機構一体型太陽電池モジュール、および該モジュールを含む光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置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】
【０００９】
本発明者は、熱伝導部材を備えた太陽電池モジュールの構造設計について鋭意検討を加えた結果、プレート状の基板に直接製作可能な薄膜系の太陽電池において、熱伝導性のプレート部材を太陽電池のセルの基板に採用し、該基板に対し直にセルを薄膜形成することによって熱伝導性の基板とセルの密着性を最大限に高めることに着目し、セルから熱伝導基板への伝熱面積を原子レベルで最大限化することで太陽電池セルの冷却効率を格段に向上させることが可能となる太陽電池モジュールの構成を見出し、本発明に至ったのである。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、熱伝導性のプレート状部材と、該プレート状部材を基板としてＰＶＤ法およびＣＶＤ法から選ばれるすくなくとも１つの方法によって形成される薄膜系太陽電池セルとを含み、前記基板は、前記セルが形成される受熱部と前記セルが形成されない放熱部とを備える太陽電池モジュールが提供される。
【００１１】
本発明においては、前記基板を、金属を含み、前記基板と前記セルとの間に絶縁膜をさらに含むものとすることができる。また、本発明においては、前記基板を、平板型ヒートパイプとすることができ、より好ましくは、平板型の自励振動式ヒートパイプとすることができる。
【００１２】
さらに、本発明においては、前記薄膜系太陽電池セルを、アモルファスシリコン、ＣＩＳ系化合物、およびＣＩＧＳ系化合物からなる群より選ばれるすくなくとも１つの半導体層を含んで形成されるものとすることができる。
【００１３】
また、本発明の他の構成によっては、上述した太陽電池モジュールと、冷媒を貯留可能な冷媒貯留部とを含み、前記太陽電池モジュールの太陽電池セルが形成されない放熱部が、前記冷媒貯留部内において冷媒に接触可能に配置されている光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置が提供される。
【００１４】
本発明においては、前記光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置を、さらに、前記冷媒貯留部に冷媒を注入および回収可能に設けられた冷媒流路と、前記冷媒流路を介して前記冷媒貯留部に冷媒を圧送可能な冷媒循環機構とを含む装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
上述したように、本発明によれば、冷却機構を太陽電池モジュール内に一体的に備え、太陽電池セルの冷却効率を最大限に向上させた太陽電池モジュール、および該モジュールを含む光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置が提供されることによって、太陽光エネルギーの光電変換効率ならびに光熱変換効率が同時に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の冷却機構一体型太陽電池モジュール１０（以下、太陽電池モジュール１０として参照する）の上面図を示す。太陽電池モジュール１０は、プレート状の熱伝導基板１２の表面に複数の太陽電池セル１４が形成された受光面である受熱部ａと、プレート状の熱伝導基板１２の表面に太陽電池セル１４が形成されない放熱部ｂとを含んで構成されており、換言すれば、受熱部ａの面積が熱伝導基板１２の表面の全面積よりも小さくなるように構成されている。太陽光エネルギーのうち、太陽電池セル１４が電気に変換しきれない波長の光は、太陽電池セル１４の内部で熱に変換されるが、そのようにして発生した熱は、受熱部ａにおいて吸収され、熱伝導基板１２を介して図中の矢印Ｘ方向に伝導し放熱部ｂにおいて放熱可能に構成されている。
【００１８】
図２は、本発明の太陽電池モジュール１０の断面を概念的に示す図である。図２は、太陽電池モジュール１０の受熱部ａの端部を拡大し概念的に示した図である。本発明においては、後述する絶縁膜１６が形成された熱伝導基板１２を基板として、該基板の表面に薄膜系の太陽電池セルが直に形成されている。
【００１９】
本発明においては、従来、薄膜系太陽電池の基板として用いられていた青板ガラス等の代わりに、熱伝導性の高いプレート状部材を用いているため、太陽電池モジュールにおいて、冷却機構のための追加の構成を別途設ける必要が無い。その上、熱伝導基板１２に直に太陽電池セル１４を形成しているため、熱伝導基板１２と被冷却対象である太陽電池セル１４との間に、両者間の熱伝導が妨げる接着剤などの熱抵抗が存在せず、さらに、太陽電池セルと熱伝導部材とを押圧によって単に機械的に接触させた場合と比べても、熱伝導基板１２と被冷却対象である太陽電池セル１４とは、原子レベルで高い密着性を示す。このことは、すなわち、被冷却対象である太陽電池セル１４から熱伝導基板１２への高い熱伝導効率を保証するものであり、ひいては、太陽電池モジュール１０の冷却機構の冷却効率を最大限に向上させるものである。
【００２０】
本発明における熱伝導基板１２は、熱伝導性の高い金属を含んだプレート状部材とすることができ、金、銀、銅、アルミニウムなどの高熱伝導性金属を含むプレート状部材を適宜用いることができる。なお、本発明において、プレート状とは、扁平な板状、または扁平なシート状を含む概念である。したがって、本発明における熱伝導基板１２は、その構造を一枚板に限定するものではなく、面実装が可能な平板型ヒートパイプなどのプレート状熱輸送デバイスを用いることができ、より好ましくは、平板型の自励振動式ヒートパイプを用いることができる。すなわち、本発明においては、熱伝導基板１２は、熱伝導性が高く、薄膜系の太陽電池セルを直接形成しうるプレート状の部材であればよく、その材質および形状を特に限定するものではない。
【００２１】
図２は、熱伝導基板１２が熱伝導性であると同時に電導性の部材である場合の実施の形態を示すものである。熱伝導基板１２の表面と太陽電池セル１４との間に絶縁膜１６が形成されており、後述する裏面電極層と熱伝導基板１２とが通電しないように構成されている。本発明においては、熱伝導性が高い絶縁体を熱伝導基板１２に対して薄膜形成することによって絶縁膜１６を成膜することができ、例えばＳｉＯ２などを絶縁体として用いることができる。本発明においては、絶縁膜１６の膜厚を、熱伝導基板１２と後述する太陽電池セルの裏面電極層とが、太陽電池モジュール１０の最大電圧において通電しない厚さであり、かつ、両者間の熱伝導を妨げない厚さとすることが望ましい。なお、放熱部ｂにおいては、放熱効率の観点から熱伝導基板１２の表面上に絶縁膜１６を設けないことが好ましい。
【００２２】
上述したように、本発明においては、熱伝導基板１２に対し薄膜系の太陽電池セル１４を直に形成する。再び、図２を参照しながら、本発明の太陽電池モジュール１０の製造工程について、ＣＩＳ系薄膜太陽電池セルを形成する場合を例にとって、以下説明する。ここで、ＣＩＳ系薄膜太陽電池とは、シリコンに代わる半導体材料の一つである、ＣｕＩｎＳｅ２系に代表されるＣｕ−ＩＩＩ−ＶＩ２族化合物を半導体層とする新型の太陽電池であり、この化合物の光吸収係数が非常に大きいことから数μｍ程度の厚さの薄膜でも充分に発電が可能なため、結晶系シリコン太陽電池のように特殊な基板を使用する必要が無く、適宜、プレート状の基板の上に直に薄膜形成することができることを特徴とする。
【００２３】
まず最初に、熱伝導基板１２の表面、すなわち絶縁膜１６の表面を洗浄したのち、該表面にＭｏなどの金属を薄膜形成し裏面電極層２０を形成する。この際、基板としての熱伝導基板１２と裏面電極層２０との密着性を最大限に高めるために、絶縁膜１６の表面に対してプラズマ照射やイオンビーム照射などの所定の表面処理を行うことが好ましい。
【００２４】
次に、裏面電極層２０の上にｐ型半導体層としてＣｕ−ＩＩＩ−ＶＩ２族の化合物からなる光吸収層２２を薄膜形成する。続いて、光吸収層２２の上にＣｄＳなどからなる高抵抗バッファ層２４を溶液成長法などによって薄膜形成する。さらに、高抵抗バッファ層２４の上にＺｎＯなどからなるｎ型半導体層である透明導電膜２６を薄膜形成し、最後に透明導電膜２６の上にＭｇＦ２などからなる反射防止膜２８と上部電源３０を形成することによって、太陽電池セル１４を熱伝導基板１２の表面上に一体的に形成する工程が完了する。
【００２５】
上述した実施の形態においては、太陽電池セル１４をＣＩＳ系薄膜太陽電池セルとした構成について説明したが、本発明においては、太陽電池セル１４は、プレート状の基板に直接薄膜形成が可能なものであればよく、たとえば、同じく非結晶系のアモルファスシリコンを薄膜形成してなる太陽電池セルを熱伝導基板１２の表面に直に形成して本発明の太陽電池モジュール１０を製造することもできる。
本発明においては、ＣＩＳ系薄膜太陽電池の中でも、最も高い光電変換効率を有する、Ｃｕ（Ｉｎ１−Ｘ,ＧａＸ）Ｓｅ２の式で表される化合物からなるＣＩＧＳ系薄膜太陽電池を形成することが好ましい。
【００２６】
また、上述した絶縁膜１６の成膜工程を含む各薄膜形成工程は、物理気相成長方法（ＰＶＤ法）および化学気相法（ＣＶＤ法）によって行うことができ、太陽電池セル１４の材料構成等によって、薄膜形成方法を適宜選択することができる。特に、本発明においては、熱伝導基板１２の表面、すなわち絶縁膜１６の表面と裏面電極層２０との密着性を高めるため、裏面電極層２０の薄膜をＰＶＤ法によって形成することができ、たとえば、真空蒸着法、スパッタ法、イオン・プレーティング法などを用いて形成することができる。
【００２７】
なお、熱伝導基板１２が上述した平板型ヒートパイプなどの熱輸送デバイスである場合、上述した薄膜形成プロセスが、通常、数百度の高温環境で行なわれるため、熱輸送デバイスにブタンなどの冷媒が封入された状態で薄膜形成プロセスを行なうことは好ましくない。したがって、熱伝導基板１２が上述した平板型ヒートパイプなどの熱輸送デバイスである場合には、冷媒を封入する前のデバイスに上述した手順で薄膜を形成したのち、該デバイスを充分に冷却してから冷媒を封入することが好ましい。
【００２８】
さらに、本発明においては、図１に示すように、小面積の薄膜系の太陽電池セル１４を一単位として熱伝導基板１２の表面に複数形成し、各太陽電池セル１４をインターコネクターで直列に接続して太陽電池モジュール１０を構成することができる。また、本発明においては、熱伝導基板１２上の、受熱部ａの表面全体にわたって膜形成を行ったのち、所定のパターニングを行うことによって集積化することで、図３に示すように、太陽電池セル１４を大面積の太陽電池サブモジュール１８として形成することもできる。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施形態である太陽電池モジュール４０を示す図である。なお、図４において、図１に示した太陽電池モジュール１０と共通する構成については同じ符号を付してある。本発明の太陽電池モジュール４０においては、熱伝導基板１２、ならびに太陽電池セル１４を構成する光吸収層２２、高抵抗バッファ層２４、透明導電膜２６、反射防止膜２８、および上部電源３０については、太陽電池モジュール１０について上述したのと同様である。しかしながら、太陽電池モジュール４０においては、絶縁膜１６および裏面電極層２０を含まない。太陽電池モジュール４０においては、熱伝導基板１２は、高熱伝導性であると同時に高電導性の部材であり、太陽電池モジュール４０における熱伝導基板１２は、熱伝導経路として機能するだけでなく、太陽電池の共通電極として機能している。すなわち、太陽電池モジュール４０においては、各太陽電池セル１４が熱伝導基板１２を介して電気的に並列に接続されることになる。
【００３０】
図５は、本発明の太陽電池モジュール１０を含む光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置５０の断面を概念的に示す図である。太陽光線のうち、太陽電池セル１４によって電気エネルギーに変換されない波長の光エネルギーの大部分は、受熱部ａの太陽電池セル１４内において熱に変換される。本発明の光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置５０においては、太陽電池セル１４内の熱は、絶縁膜１６を経て速やかに熱伝導基板１２に伝導する。一方、太陽電池モジュール１０の放熱部ｂは、水などの冷媒５２に常時接触可能に構成されており、熱伝導基板１２の長手方向に熱勾配が生じるように構成されているため、太陽電池セル１４から熱伝導基板１２に伝導した熱Ｈは、図中の矢印Ｘ方向に伝導して放熱部ｂに達し、冷媒５２中に放出される。本発明の太陽電池モジュール１０においては、放熱部ｂに、放熱効率を向上させるための放熱促進部材として放熱フィン５４などを適宜設けることができる。また、本発明の光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置５０においては、放熱部ｂから放熱された熱を効率的に回収・利用するために、放熱部ｂが冷媒貯留管５６内に挿設されており、冷媒貯留管５６の内側に満たされた冷媒５２と常時接触可能に配置されている。
【００３１】
図６は、本発明の光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置５０が、家屋の屋根６０に設置された態様を示す図である。家屋の屋根６０に照射される太陽光の光エネルギーは、太陽電池モジュール１０の受熱部ａの太陽電池セル１４によって電気に変換され、変換された電気は図示しない外部端子を経て所定の蓄電装置に蓄電され、利用される。
【００３２】
一方、太陽電池セル１４によって電気エネルギーに変換されず、太陽電池セル１４内において熱に変換されたエネルギーは、放熱部ｂから、冷媒貯留管５６内の冷媒５２に熱として伝導する。冷媒貯留管５６には、図示しない冷媒循環機構、例えば圧送ポンプによって、冷媒５２の流路を形成する循環パイプ５８を通して、例えば低温の水５２ａが注入されるように構成されており、冷媒貯留管５６内を圧送されて通過する過程において放熱部ｂから熱を伝導された水５２ａは、温水５２ｂとなって回収され、循環パイプ５８を通して浴槽、給湯設備など所望の場所に輸送される。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、冷却機構をモジュール内に一体的に備え、太陽電池セルの冷却効率を最大限に向上させた太陽電池モジュール、および該モジュールを含む光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置が提供され、クリーンで無尽蔵の太陽光エネルギーを利用した環境適用型インフラのさらなる整備に資することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の太陽電池モジュール１０の上面図。
【図２】本発明の太陽電池モジュール１０の断面を概念的に示す図。
【図３】大面積の太陽電池サブモジュールが形成された本発明の太陽電池モジュール１０の上面図。
【図４】本発明の第２の実施形態である太陽電池モジュール４０の断面を概念的に示す図。
【図５】本発明の太陽電池モジュール１０を含む光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置５０の断面を概念的に示す図。
【図６】本発明の光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置５０が、家屋の屋根６０に設置された態様を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…太陽電池モジュール、１２…熱伝導基板、１４…太陽電池セル、１６…絶縁膜、１８…太陽電池サブモジュール、２０…裏面電極層、２２…光吸収層、２４…高抵抗バッファ層、２６…透明導電膜、２８…反射防止膜、３０…上部電源、４０…太陽電池モジュール、５０…光・熱ハイブリッドエネルギー変換装置、５２…冷媒、５４…放熱フィン、５６…冷媒貯留管、５８…循環パイプ、６０…家屋の屋根
【図１】
2007208007.tif 000003
【図２】
2007208007.tif 000004
【図３】
2007208007.tif 000005
【図４】
2007208007.tif 000006
【図５】
2007208007.tif 000007
【図６】
2007208007.tif 000008