(57)【要約】【課題】従来の太陽電池・太陽熱ハイブリットモジュールは太陽電池と集熱板の間の熱抵抗が大きく、また熱抵抗を小さくしようとすると絶縁性の確保が難しかった。【解決手段】集熱板を第１のＡｌ基板２と第２のＡｌ基板２０を接合し、第２のＡｌ基板２０の１部を膨らませて第１のＡｌ基板２との間に冷媒流路２１を形成し、第１の基板２と第２の基板２０の間に冷媒を通すようにしたアルミロールボンドで構成し、アルミロールボンドの上にサブストレート型太陽電池を形成する。前記第１のＡｌ基板２の面にＡｌを酸化した陽極酸化膜８を形成し、前記陽極酸化膜８の上に薄膜によって形成された太陽電池１１，１２，１３，１４を形成し、前記太陽電池を封止樹脂１５とカバーガラス１６によって覆う。これによって、発電効率と熱の利用効率が高く、かつ、信頼性の高いハイブリッドモジュールを形成することが出来る。【選択図】図７
2012015190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ基板と、薄膜によって形成されたサブストレート型太陽電池と、封止樹脂と、カバーガラスを有するサブストレート型太陽電池モジュールであって、
前記基板と前記サブストレート型太陽電池との間は、前記Ａｌを陽極酸化した陽極酸化膜によって絶縁されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
Ａｌ箔と、薄膜によって形成された太陽電池と、封止樹脂と、カバーガラスを有するサブストレート型太陽電池モジュールであって、
前記Ａｌ箔と前記サブストレート型太陽電池との間は、前記Ａｌ箔を陽極酸化した陽極酸化膜によって絶縁されており、
前記Ａｌ箔はＡｌ基板に接合されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項３】
第１のＡｌ基板と第２のＡｌ基板を接合し、前記第２のＡｌ基板は一部を膨らませて前記第１のＡｌ基板との間に冷媒流路が形成されており、前記第１の基板と前記第２の基板の間に冷媒を通すようにしたアルミロールボンド上にサブストレート型太陽電池が形成されたハイブリッドモジュールであって、
前記第１のＡｌ基板の前記第２のＡｌ基板と接合されていない面にＡｌを酸化した陽極酸化膜を形成し、前記陽極酸化膜の上に薄膜によって形成された太陽電池を形成し、前記太陽電池を封止樹脂とカバーガラスによって覆ったことを特徴とするハイブリッドモジュール。
【請求項４】
第１のＡｌ基板と第２のＡｌ基板を接合し、前記第２のＡｌ基板は１部を膨らませて前記第１のＡｌ基板との間に冷媒流路が形成されており、前記第１の基板と前記第２の基板の間に冷媒を通すようにしたアルミロールボンド上に太陽電池モジュールが形成されたハイブリッドモジュールであって、
前記太陽電池モジュールは、Ａｌ箔と、薄膜によって形成された太陽電池と、封止樹脂と、カバーガラスを有するサブストレート型太陽電池モジュールであって、
前記Ａｌ箔と前記太陽電池との間は、前記Ａｌ箔を陽極酸化した陽極酸化膜によって絶縁されており、
前記Ａｌ箔は前記第１のＡｌ基板に接合されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記陽極酸化膜は、無孔質のバリア型陽極酸化膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記陽極酸化膜は、無孔質のバリア型陽極酸化膜であることを特徴とする請求項３または４に記載のハイブリッドモジュール。
【請求項７】
前記陽極酸化膜は、膜厚が１．４×（太陽電池の最大出力電圧＋５０）ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽モジュール。
【請求項８】
前記陽極酸化膜は、膜厚が１．４×（太陽電池の最大出力電圧＋５０）ｎｍ以上であることを特徴とする請求項３または４に記載のハイブリッドモジュール。
【請求項９】
前記太陽電池の吸収層は、ＣＩＳ系の吸収層であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽モジュール。
【請求項１０】
前記太陽電池の吸収層は、ＣＩＳ系の吸収層であることを特徴とする請求項３または４に記載のハイブリッドモジュール。
【請求項１１】
サブストレート型太陽電池を有するハイブリッドモジュールと、前記ハイブリッドモジュールよりも上方に配置された貯水槽と、前記ハイブリッドモジュールと前記貯水槽と前記ハイブリッドモジュールとの間に液体を循環させるチューブを有する太陽電池と太陽熱利用のハイブリッドシステムであって、
前記ハイブリッドモジュールは請求項３、４、６，８または１０のいずれか１項に記載のハイブリッドモジュールであって、前記チューブを流れる前記液体は、前記ハイブリッドモジュールの下側から前記ハイブリッドモジュールの前記冷媒流路を通ることを特徴とする太陽電池と太陽熱利用のハイブリッドシステム。
【請求項１２】
屋根の上に集熱板背面空間を介して太陽電池モジュールが配置され、前記集熱板背面空間はダクトとファンを介して熱交換器または蓄熱コンクリートと接続している太陽電池と空気集熱式ハイブリッドシステムであって、
前記太陽電池モジュールは請求項１、２、５、７または９のいずれか１項に記載のサブストレート型太陽電池であって、サブストレート型太陽電池の前記基板は前記集熱空間と対向していることを特徴とする太陽電池と空気集熱式ハイブリッドシステム。
【請求項１３】
サブストレート型太陽電池を有するハイブリッドモジュールと、膨張弁と熱交換器と、圧縮器が直列に接続し、冷媒が循環する太陽電池とヒートポンプのハイブリッドシステムであって、
前記ハイブリッドモジュールは、請求項３、４、６、８または１０のいずれか１項に記載のハイブリッドモジュールであって、前記冷媒は、前記サブストレート型太陽電池の前記冷媒流路を通過することを特徴とする太陽電池とヒートポンプのハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池あるいは太陽電池のモジュール、又は、太陽電池あるいは太陽電池のモジュールと、太陽熱を利用した温水器、空気集熱器、ヒートポンプ等の太陽熱利用機器をハイブリットしたモジュールおよびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止などを背景に太陽エネルギー等の自然エネルギー利用が急速に拡大している。太陽エネルギーの利用方法の代表例は太陽電池による発電であるが、現在一般に使用されている太陽電池モジュールの発電効率は１０％〜２０％程度であり、残りの８０〜９０％程度は大部分熱となり、有効に利用されていない。さらに太陽電池はモジュールの温度が上昇すると発電効率が低下するため、太陽熱を有効に利用できていない。たとえば直射日光を浴びた太陽電池モジュールは６０〜８０℃程度まで温度が上昇するが、一般的なＳｉ結晶太陽電池の出力温度係数は−０．４５％/℃程度であり、室温（２５℃）を基準とする定格出力に対し、１５〜２５％程度出力が低下する。このような太陽電池出力の温度依存性は、程度差はあるものの薄膜Ｓｉ太陽電池（−０．２％/℃程度）、ＣＩＳ系太陽電池（−０．３％/℃程度）でも存在し、いずれの太陽電池でも課題である。
一方、太陽エネルギーの別の利用方法として太陽熱を利用する温水器等の太陽熱利用機器がある。太陽熱温水器は例えば自然循環式の場合、降水チューブから冷水を集熱板下端に供給し、黒色集熱板あるいは集熱フィンで太陽熱を吸収し、集熱管中の冷水を温水に温めながら貯湯槽に温水を導き、給湯設備に適宜温水を供給するものである。
太陽熱利用機器としてはこのほか、太陽熱を集熱板背面の空気に集熱するソーラーハウスなどが実用化されている。
【０００３】
そこで太陽エネルギーをより有効に利用するため、太陽電池と太陽熱利用機器をハイブリットし、発電と集熱を同時に行うことにより、太陽エネルギー利用の総合エネルギー効率を上げる試みがなされている。代表例として以下の３つの例が報告されている。
【０００４】
従来例１では、太陽熱温水器と太陽電池モジュールをハイブリットした例が報告されている（非特許文献１）。太陽熱温水器の集熱板として用いられるアルミロールボンドの上にＥＶＡ樹脂で単結晶Ｓｉ太陽電池セルを封止し、さらに透明ＰＶＦフィルム、空気層を挟んでカバーガラスを配置した構造となっている。アルミロールボンドとは、２枚のアルミ板を貼り合わせ、 背面板の一部を迷路状に膨らませて冷媒を通すようにしたものであり、太陽熱温水器の場合、冷媒は直接水を用いるか、あるいは中間冷媒として不凍液のエチレングリコール等を用い、最終的に温水に熱変換される。この太陽電池・太陽熱温水器ハイブリットモジュールの狙いとしては以下が挙げられている。
太陽電池と太陽熱の集熱利用機能を併せ持つことにより、総合エネルギー効率が向上する。
冷媒（水あるいはエチレングリコール等）を循環させることにより太陽電池を冷却し、セル温度上昇を抑制して太陽電池の効率低下を抑制する。
太陽電池が太陽熱集熱板を兼ねることにより、太陽電池と太陽熱温水器を別個に設ける場合に比べ、設置面積を減らせる。
【０００５】
この太陽電池・太陽熱温水器ハイブリットモジュールは、（１）に対しては総合エネルギー効率で８％の向上が得られたことが報告されている。
【０００６】
従来例２としては、空気集熱式ハイブリットパネルとして、ソーラーハウスの集熱屋根に薄膜Ｓｉ太陽電池を利用した例が報告されている（非特許文献２）。これは通常集熱板として用いられる黒色塗装板の替わりに、アモルファスＳｉ太陽電池モジュールを利用したものである。集熱板で吸収した熱は集熱板背面空間の空気を暖め、ファンを設置したダクトを介して床下の蓄熱コンクリートに蓄熱され、夜間に放熱することにより暖房に利用される。あるいは、熱交換器で不凍液に熱変換され、さらに温水へと熱変換されて給湯に利用される。この太陽電池・太陽熱空気集熱器のハイブリットモジュールの狙いとしては以下が挙げられている。
太陽電池と太陽熱の集熱利用機能を併せ持つことにより、総合エネルギー効率が向上する。
太陽電池裏側の温度上昇を抑えることで発電効率が上がる。
【０００７】
従来例３としては、集熱式ヒートポンプと薄膜Ｓｉ太陽電池または多結晶Ｓｉ太陽電池モジュールをハイブリットした例が報告されている（非特許文献３）。このモジュールはヒートポンプシステムの膨張弁により冷却された冷媒ガスを、アモルファスＳｉまたは多結晶Ｓｉ太陽電池を貼り付けた集熱板背面に循環させて熱を吸収させる。集熱した冷媒をさらに圧縮器を介して高温のガスとした後、熱交換により給湯や暖房に使用する。ヒートポンプは通常、外気の空気熱や、地熱、河川の水熱等を熱源として断熱膨張で冷却した冷媒に熱を吸収させているが、このハイブリットシステムでは、熱源として太陽熱を冷媒に吸収させる。そのため、熱源温度が他の熱源に比べ高くなる。この太陽電池・太陽集熱ヒートポンプハイブリットシステムの狙いとしては以下が挙げられている。
太陽電池とヒートポンプの集熱機能を併せ持つことにより、総合エネルギー効率が向上する。
ヒートポンプの熱源温度が、空気熱を熱源とする場合に比べ高くすることができ、圧縮加熱する際の温度差が小さくなるので、高いＣＯＰ（Coefficient Of Performance  成績係数）を持つヒートポンプが得られる。
ヒートポンプの冷媒を循環させることにより太陽電池を冷却し、セル温度上昇を抑制して太陽電池の効率低下を抑制する。
【０００８】
この太陽電池・太陽熱ヒートポンプハイブリットモジュールは、（２）に対して太陽熱を利用できる昼間で約２倍のＣＯＰ、すなわち、従来は３であったＣＯＰを６に向上させている。また、（３）に対して太陽電池出力１０％向上の効果が確認されている（非特許文献３）。
このように太陽電池と太陽熱利用機器の集熱板をハイブリット化することは、太陽エネルギーの利用効率向上に寄与する。しかしながら、その効率向上効果はまだ十分とは言えない。例えば、従来例１の単結晶Ｓｉ太陽電池を用いた太陽熱温水器とのハイブリットモジュールでは（２）の発電効率低下抑制効果はわずかであり、また集熱効率は通常の黒色集熱板単独で使用した場合に比べ１０％以上低い等、ハイブリット化したメリットが十分生かされていない。
【０００９】
この原因はいくつか考えられる。まず従来例では太陽電池と集熱板の間の熱伝導性が悪く、冷却が十分行われていないことが考えられる。従来例で用いられた単結晶、多結晶Ｓｉ太陽電池は通常ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）樹脂で封止するため、集熱板には熱伝導率が悪く、膜厚も厚いＥＶＡ（熱伝導率0.117W/mK、膜厚0.5mm程度）を介して接してしまい、熱抵抗が大きく熱変換効率が低い。また、アモルファスＳｉ太陽電池等も通常基板ガラスがカバーガラスを兼ねるスーパーストレート構造をしているため、太陽電池背面は防水や保護のため熱伝導率の低いＥＶＡ樹脂やフッ素樹脂等からなるバックシートを介して集熱基板に貼り付けられるため、やはり熱抵抗が大きく、熱変換効率が低い。
【００１０】
そこで、太陽電池セルの冷却効率を向上させるため、集熱板上にＥＶＡ等の樹脂を介さず、集熱基板上に直接あるいは薄い絶縁層を介して薄膜太陽電池を形成する方法が提案されている（特許文献１）。この例では、金属の熱伝導性のプレート状基板に直接、物理気相成長法（ＰＶＤ法）あるいは化学気相成長法（ＣＶＤ法）で成膜される薄膜太陽電池を形成し、冷却効率を向上させている。その際、集積型の薄膜太陽電池を形成する場合は、基板との間の絶縁が必要なため、絶縁膜をさらに設けている。絶縁膜としては、熱伝導性の高いＳｉＯ２などを、薄膜太陽電池と同様のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成している。また絶縁膜の膜厚は、太陽電池モジュールの最大電圧で通電しない厚さで、かつ熱伝導を妨げない厚さとすることが望ましいとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】環境に調和するエネルギー技術と材料  p90-94  (シーエムシー出版、2000年1月5日）
【非特許文献２】環境に調和するエネルギー技術と材料  p98-101  (シーエムシー出版、2000年1月5日）
【非特許文献３】環境に調和するエネルギー技術と材料  p101-104  (シーエムシー出版、2000年1月5日）
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２０８００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
金属製の集熱基板上に直接集積型の薄膜太陽電池モジュールを形成する場合、特許文献１記載のように金属基板表面を絶縁する絶縁膜を設けなければならない。集積型太陽電池モジュールの最大電圧は、セル直列段数の設計にもよるが４０Ｖ〜２００Ｖ程度であり、絶縁膜はその最大電圧に長期間（２０年以上）絶える高い絶縁信頼性が要求される。しかしながら、一般に金属基板は太陽電池で通常用いられるガラス基板に比べ、表面の凹凸が大きく、また異物、突起等も多く存在し、平滑性が良好ではない。
【００１４】
そのため、金属基板上に薄膜を堆積させるＰＶＤ法やＣＶＤ法で、ピンホール等の絶縁欠陥がない薄い絶縁膜を形成するのは容易ではない。ピンホールをなくすためには厚膜化しなければならないが、ＰＶＤ法やＣＶＤ法では成膜に時間がかかりすぎたり、膜厚増加により膜応力による剥がれが生じやすくなったり、熱伝導性が低下したりして現実的ではない。そのため、より絶縁信頼性の高く、薄い絶縁膜を安価に形成する方法が求められる。
本発明の目的は、太陽電池と太陽熱利用機器のハイブリットモジュールにおいて、金属製の集熱基板上に絶縁信頼性の高い絶縁膜を形成し、その上に集積型薄膜太陽電池を形成して、従来より集熱効率、熱伝導効率、冷却効率の高い太陽電池と太陽熱集熱のハイブリットモジュールおよびシステムを提供し、太陽エネルギー利用の総合エネルギー効率を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は以上のような課題を解決するものであり、具体的な手段は次のとおりである。すなわち、集熱板として熱伝導率の高いアルミロールボンド（熱伝導率200W/mK）を用い、アルミロールボンドの前面板のアルミ板表面を陽極酸化で絶縁処理し、その上に直接サブストレート構造の薄膜太陽電池を形成することにより実現される。または、表面を陽極酸化で絶縁処理したアルミ箔基板上に、サブストレート構造の薄膜太陽電池を形成し、アルミ箔基板を金属製集熱板に接合することにより実現される。
【００１６】
特にアルミニウムの陽極酸化膜としては、無孔性のバリア型陽極酸化膜を形成することにより、耐電圧、絶縁信頼性が高く、かつ熱抵抗の極めて小さい絶縁膜を形成することができる。
【００１７】
また、サブストレート構造の太陽電池として直接遷移型の半導体で太陽光スペクトル全域で吸収係数が高く、黒色のCIS系（CuInSe2, Cu(InGa)Se2, Cu(InAl)Se2, Cu(InGa)(SeS）2等)を用いる。
【発明の効果】
【００１８】
薄膜太陽電池と集熱板の間を絶縁信頼性の高い陽極酸化膜で絶縁し、かつ熱抵抗を低減することができ、熱伝導効率、冷却効率の高い太陽電池―太陽熱集熱ハイブリットモジュールを提供して、総合エネルギー効率を向上することができる。
【００１９】
アルミニウムの陽極酸化膜として、無孔性のバリア型陽極酸化膜とすることにより、耐電圧、絶縁信頼性が高く、かつ熱抵抗の極めて小さい絶縁膜を形成することができる。太陽電池として直接遷移型の半導体で太陽光スペクトル全域で吸収係数が高く、黒色のCIS系（CuInSe2, Cu(InGa)Se2, Cu(InAl)Se2, Cu(InGa)(SeS）2等)を用いると、Ｓｉ系太陽電池を用いる場合に比べ高い集熱効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】陽極酸化のプロセス模式図である。
【図２】陽極酸化の際の化成電流、化成電圧のプロファイルの例である。
【図３】ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの気相堆積法で作成した金属基板上の絶縁膜の断面模式図である。
【図４】陽極酸化法で作成した金属基板上の絶縁膜の断面模式図である。
【図５】アルミロールボンドの前面基板上にＣＩＳ系のサブストレート型薄膜太陽電池を形成する際のプロセスフローである。
【図６】アルミ基板上に陽極酸化膜を介して作成したサブストレート型の直列集積型薄膜太陽電池モジュールであって、封止樹脂とカバーガラスが存在しない場合の断面構造図である。
【図７】太陽電池と太陽熱利用機器の集熱板を兼ねたハイブリットモジュールの断面構造図である。
【図８】本発明のハイブリットモジュールを用いた太陽電池と自然循環式の太陽熱温水器のハイブリットシステムの模式図である。
【図９】本発明のハイブリットモジュールを用いた太陽電池と空気集熱器ハイブリットシステムの模式図である。
【図１０】本発明のハイブリットモジュールを用いた太陽電池とヒートポンプのハイブリットシステムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。第１の実施例は集熱板として用いるアルミロールボンドの前面板上にサブストレート構造の薄膜太陽電池セル、モジュールを形成する例を示している。
【００２２】
まず、はじめにアルミロールボンドの前面板の表面に陽極酸化膜を形成する。前面板の材質としては、純アルミニウムまたはアルミニウム合金のアルミ板基板を用いる。アルミニウム合金の添加材料としては例えばＭｇ，Ｓｉ、Ｍｎ，Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｄ等を１種乃至複数種添加したものなど種々あるが、特にＭｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｎｄなどを１種乃至複数種添加したアルミニウム合金が陽極酸化膜を形成するのに適する。そのうちＭｇやバルブ金属と呼ばれるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａなどは、それ自身の陽極酸化膜も高い絶縁性を有するため、特に有効な添加剤である。
【００２３】
図１に陽極酸化のプロセス模式図を示す。陽極酸化は、化成液１中にアルミ板基板２を陽極とし、Ｐｔ板やＰｔめっきを施した対向電極基板３を陰極として、化成電流、化成電圧を印加することにより行う。陽極酸化膜には化成液１に硫酸やリン酸、シュウ酸等の強酸を用いる多孔質のポーラス型陽極酸化膜と、化成液１に酒石酸やクエン酸等の弱酸を用いる無孔質のバリア型陽極酸化膜があるが、本実施例では化成液１としてｐＨ７程度に調整された酒石酸アンモニウム水溶液とエチレングリコールを用い、高い絶縁性が得られる無孔質のバリア型陽極酸化膜を形成した。
【００２４】
図２に本実施例で用いた陽極酸化の際の化成電流、化成電圧のプロファイルを示す。陽極酸化はまず一定の化成電流密度で一定速度の酸化を行う。これに伴い、化成電圧は一定の速度で上昇していく。化成電流密度を高めることにより酸化速度を速めることができ０．５〜５Ａ/ｃｍ２程度が適当である。目標の化成電圧に達したら、こんどは化成電圧を一定に維持し、化成電流密度を十分減少させて陽極酸化を終了する。陽極酸化膜の膜厚は化成電圧に比例し、アルミニウムの場合は約１．４ｎｍ/Ｖであるので化成電圧で絶縁膜厚を制御することができる。
【００２５】
陽極酸化膜の耐電圧は化成電圧にほぼ一致するため、高い化成電圧を印加するほど、アルミ板基板２表面の絶縁膜の絶縁性を向上することができる。ただし、３００Ｖ以上では陽極酸化膜が化成電圧に耐え切れず自己破壊しやすくなるので、３００Ｖ以下とするのがよい。実用的には後で形成する集積型薄膜太陽電池の最大電圧（４０Ｖ〜２００Ｖ程度）を考慮し、それより５０〜１００Ｖ高い化成電圧を印加すれば、十分な耐電圧マージンを確保することができる。すなわち膜厚が１．４×（太陽電池の最大出力電圧＋５０〜１００）ｎｍとすれば十分な耐電圧を確保することができる。このように陽極酸化膜の利点の一つ目は、薄膜太陽電池の最大電圧に合わせて絶縁膜の適切な耐電圧設計をできることがある。
【００２６】
陽極酸化膜の利点の二つ目は絶縁膜の熱抵抗が非常に低いことである。陽極酸化膜の膜厚は化成電圧３００Ｖを印加した最も厚い場合でも４２０ｎｍ程度であり、非常に薄い。さらに陽極酸化膜の主成分であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の熱伝導率は絶縁物のなかでは高く２１Ｗ／ｍＫ程度であり、ＳｉＯ２の１．４Ｗ／ｍＫの３０倍である。したがって、アルミ板基板上の絶縁膜の熱抵抗を極限まで小さくすることが可能となる
陽極酸化膜の３つ目の利点は、表面の凹凸４が大きく、また異物５、突起６等も多く存在し、平滑性が良好ではない基板でも均一で、ピンホール欠陥等の絶縁不良のない絶縁膜を形成しやすいことである。アルミ板基板２をはじめとする金属板基板は一般にフロート法などで作られるガラス基板に比べ、表面の凹凸が大きく、また異物、突起等も多く存在し、平滑性が良好ではない。
【００２７】
そのため、図３に示すようにその上にＰＶＤ法やＣＶＤ法などの気相堆積法でアルミ基板２上に絶縁膜７を形成しようとしても、表面の凹凸４に追随できず膜厚ムラが発生したり、異物５や突起６を絶縁膜７が被覆しきれずピンホール欠陥が発生しやすい。そのため絶縁耐圧や信頼性を確保するのは容易ではない。これらを解消するには、表面の凹凸４や異物５、突起６のサイズ以上の厚い絶縁膜７を成膜しなければならず、成膜時間が長くなりすぎたり、膜厚増加により膜応力による剥がれが生じやすくなったり、熱伝導性が低下したりして現実的ではない。
【００２８】
一方、陽極酸化の場合は溶液中のプロセスであり、図４に示すように表面の凹凸４や異物５、突起６等の存在に関わらず化成液１が回り込み、酸化が進行する。さらに陽極酸化は絶縁不良箇所があればその部分に化成電流が集中して酸化を進行させ、絶縁不良を解消する自己修復機能があるため、絶縁不良のない陽極酸化膜８を安定して形成することができる。そのため、絶縁膜の高い信頼性と高い製造歩留まりを実現することが可能である。また裏面も酸化されるため、流路に接する部分の防食性も向上する。
【００２９】
次に陽極酸化膜８を形成したアルミ板基板２上にサブストレート型薄膜太陽電池１０を直接形成する。サブストレート型薄膜太陽電池１０として特に直接遷移型の半導体で太陽光スペクトル全域で吸収係数が高く、黒色のＣＩＳ系（CuInSe2, Cu(InGa)Se2, Cu(InAl)Se2, Cu(InGa)(SeS）2等)を用いると、他の太陽電池を用いる場合に比べ高い集熱効率を得ることができる。ＣＩＳ系の吸収係数は結晶Ｓｉの１００倍程度あり、そのため太陽電池としての膜厚も１〜２μｍ程度で結晶Ｓｉ太陽電池（１５０μｍ程度）の１/１００程度と薄くても十分な光を吸収でき、熱容量も小さい。そのため高い集熱効率、冷却効率を実現することができる。
【００３０】
図５にアルミロールボンドの前面基板上にＣＩＳ系のサブストレート型薄膜太陽電池を形成する際のプロセスフローを、図６にアルミロールボンドの前面基板上に形成したＣＩＳ系のサブストレート型薄膜太陽電池の断面構造を示す。陽極酸化膜８上にはまず背面電極１１のＭｏがスパッタ法で成膜され、レーザースクライブで加工される。背面電極１１は短冊状に加工され、加工ピッチは3〜10mm程度である。背面電極１１の短冊の数は最大出力電圧、電極抵抗の設計に応じて設計し、加工幅を決められる。薄膜太陽電池のセル１段の出力電圧は０．５Ｖ程度であるので、最大出力電圧を４０〜２００Ｖとすると、短冊の数は８０〜４００程度であり、アルミ板基板２の一辺の寸法は８０ｃｍ〜１２０ｃｍ程度となる。
【００３１】
その上に、ＣｕあるいはＣｕ−Ｇａ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、ＩｎあるいはＩｎ−Ｓｅ合金等をスパッタ、あるいは加熱蒸着したり、さらにＨ２Ｓｅ、Ｈ２Ｓ等のガス中でセレン化、硫化することにより、ＣＩＳ系の吸収層１２（CuInSe2, Cu(InGa)Se2, Cu(InAl)Se2, Cu(InGa)(SeS）2等)を形成する。つづいてｎ型半導体からなるバッファ層１３（CdS、ZnO、ＺｎＳ、ＭｇＺｎＯ、Ｉｎ２Ｓ３、ＴｉＯ２等）をＣＢＤ法（Chemical  Bath  Deposition）やスパッタ法などで形成する。なお、ｎ型半導体からなるバッファ層１３の役割は、ＣＩＳ系の吸収層１２との間でＰＮ接合を形成することと、ＣＩＳ系の吸収層１２を次に成膜する透明電極１４のスパッタリングによるダメージから保護することである。この吸収層１２とバッファ層１３の積層膜をメカニカルスクライブで短冊状に加工する。
【００３２】
つぎに透明電極１４をスパッタリング法で形成する。透明電極１４としてはZnOにAlを添加したAZO、Gaを添加したGZO、Bを添加したBZOなどを用いることができる。この他、ITOやIZO、SnO2にFを添加したFTO、Sbを添加したATOなどを用いることも可能である。成膜後は、メカニカルスクライブにより透明電極１4、吸収層１２とバッファ層１３の積層膜を加工する。この工程により直列集積型薄膜太陽電池モジュール１８を形成することができる。このようにして、アルミロールボンドの前面板となるアルミ板基板２上に薄い陽極酸化膜８を介して、サブストレート型の直列集積型薄膜太陽電池１１を直接形成することができる。
【００３３】
次に図７に示すようにEVA（エチレンビニルアセテート）等の封止樹脂１５を介してカバーガラス１６で封止することにより、アルミ板基板２上に形成したサブストレート型の直列集積型薄膜太陽電池モジュール１８を実現することができる。さらに、冷媒の流路２１が形成されたアルミロールボンドの背面板２０を接合することにより、太陽電池と太陽熱利用機器の集熱板を兼ねたハイブリットモジュール２２を形成することができる。なお、この接合は、例えば、ろう付け等で行うことが出来る。
【００３４】
このようにして形成された太陽電池モジュールは、例えば、長辺が８０ｃｍ〜１２０ｃｍ、短辺が６０ｃｍ〜１００ｃｍの長方形である。また、図７に示すＡｌ基板２の厚さｔｆは例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍであり、背面板２０の厚さｔｂは例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍである。
【００３５】
アルミ箔基板を用いる場合も、その製法は基本的にアルミ板基板を用いる場合と同様である。ただし、アルミ箔基板上に形成する場合は、アルミロールボンドの前面板としては強度が不足するため、薄膜太陽電池を形成した後、アルミ板基板２上に接合する。アルミ箔基板を用いる場合の利点は、薄膜太陽電池製造時にロールtoロールによる量産がしやすいこと、および太陽電池を太陽熱利用機器の集熱板を兼ねたハイブリットモジュール以外の単独での利用可能なことである。
【００３６】
次に本発明のハイブリットモジュールを用いた太陽電池と太陽熱利用機器のハイブリットシステムの利用例について順に説明する。図８は太陽電池と自然循環式の太陽熱温水器のハイブリットシステムを示す。まずＣＩＳ系のサブストレート型の薄膜太陽電池をアルミロールボンド上に形成したハイブリットモジュール２２の裏面の断熱材３１の背後から降水チューブ３２により冷水をハイブリットモジュール２２下端のアルミロールボンドの冷媒流路に導く。
【００３７】
冷水は、薄膜太陽電池に吸収された太陽熱を吸熱しながら次第に温水となり、サイフォンの原理でハイブリットモジュール２２の上方に向かって流れ、貯湯槽３３に導かれる。このハイブリットモジュール２２は、太陽電池と集熱板（アルミロールボンド）の間の熱抵抗が陽極酸化膜のみで非常に小さいため、従来の結晶Ｓｉ太陽電池や薄膜Ｓｉ太陽電池のように高熱抵抗のＥＶＡ樹脂等を介す必要がなく、高効率の集熱と、太陽電池の発電効率向上のための冷却が可能である。
【００３８】
また一般に集積型太陽電池は直列数を高め出力電圧を高め、電流を減らした方が、抵抗損失が減るため発電効率が高くなるが、本実施例では、高耐電圧で高絶縁信頼性の陽極酸化膜を用いているため、出力電圧を８０〜２００Ｖ程度に高めることができ発電効率を最大化しやすい。そのため、従来より高い総合エネルギー効率を得ることが可能である。なお、本実施例は水を冷媒に用いたが、エチレングリコール等の不凍液を介した方式でも同様の効果が得られる。
【００３９】
図９は、屋根４０の空気集熱式ハイブリットシステムに本発明のハイブリットモジュール２２を適用した例である。ハイブリットモジュール２２で吸収した熱は集熱板背面空間４１の空気を暖め、ファン４２を設置したダクト４３を介して床下の蓄熱コンクリート４４に蓄熱され、夜間に放熱することにより暖房に利用される。あるいは、熱交換器４５で不凍液に熱変換され、さらに温水へと熱変換されて給湯に利用される。
図１０は、ヒートポンプの集熱板に本発明のハイブリットモジュール２２を用いた例である。冷媒としてはＣＯ２等を用いる。この太陽電池―ヒートポンプハイブリットシステムでは、膨張弁５１の開放により断熱膨張され冷却された冷媒ガスが、本発明のハイブリットモジュール２２の流路に流れ、熱を吸収すると同時に太陽電池を冷却する。集熱した冷媒はハイブリットモジュール２２を出た後、圧縮器５２を介して高温のガスとされ、熱交換器５３により給湯や暖房に使用される。このヒートポンプシステムは高効率の集熱ができるため、熱源温度が高く、ヒートポンプのＣＯＰを大幅に向上することができる。また冷媒温度が太陽熱温水器や空気集熱器の場合より大幅に低くすることができ、太陽電池の冷却効率もよく、発電効率を大幅に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、太陽電池と太陽熱利用機器のハイブリットモジュールに適用して有効であり、特に家屋や商業施設、ビル、工場等における太陽光発電と太陽熱のコジェネレーションシステムに幅広く利用することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１…化成液
２…アルミ板基板
３…対向電極基板
４…凹凸
５…異物
６…突起
７…絶縁膜
８…陽極酸化膜
１１…背面電極
１２…吸収層
１３…バッファ層
１４…透明電極
１５…封止樹脂
１６…カバーガラス
１８…サブストレート型の直列集積型薄膜太陽電池モジュール
２０…背面板
２１…流路
２２…ハイブリットモジュール
３１…断熱材
３２…降水チューブ
３３…貯湯槽
３４…降水チューブの支持基板
４０…屋根
４１…集熱板背面空間
４２…ファン
４２…貯湯槽
４３…ダクト
４４…蓄熱コンクリート
４５…熱交換器
５１…膨張弁
５２…圧縮器
５３…熱交換器。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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