(57)【要約】【課題】多接合型セルを用いた太陽電池モジュールは、多接合型セル毎にロスがあり発電効率が低くなる恐れがある。【解決手段】第１の太陽電池セルを複数枚接続した第１の太陽電池群と、第１の太陽電池群の受光面と反対側の面側に絶縁材料を介して設置され、第１の太陽電池セルよりも吸収波長が長波長側にある第２の太陽電池セルを複数枚接続した第２の太陽電池群を備えたことにより、発電効率の高い太陽電池モジュールを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の太陽電池セルを複数枚接続した第１の太陽電池群と、
前記第１の太陽電池群の受光面と反対側の面側に絶縁材料を介して設置され、前記第１の太陽電池セルよりも吸収波長が長波長側にある第２の太陽電池セルを複数枚接続した第２の太陽電池群を備えた太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記第１の太陽電池群を構成する複数枚の前記第１の太陽電池セルは直列に接続されるとともに、
前記第２の太陽電池群を構成する複数枚の前記第２の太陽電池セルは直列に接続され、
前記第１の太陽電池群と前記第２の太陽電池群は並列に接続された太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記第１の太陽電池群の開放電圧と、前記第２の太陽電池群の開放電圧が略等しい請求項１または２に記載の太陽電池モジュール
【請求項４】
前記第１の太陽電池群は、シリコン太陽電池からなり、前記第２の太陽電池群はゲルマニウム太陽電池からなる請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記第２の太陽電池群は、量子ドットを使用した太陽電池からなる請求項１から３のいずれか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、太陽電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料資源の枯渇および地球温暖化ガス排出抑制などの観点から、再生可能エネルギーの利用が望まれている。再生可能エネルギー源としては太陽光、水力、風力、地熱、潮力、バイオマスなど多岐にわたるが、その中でも、太陽光は利用可能なエネルギー量が大きいこと、他の再生可能エネルギーに対し地理的制約が比較的少ないことから、太陽光から効率よく利用可能なエネルギーを生み出す技術の早期な開発と普及が望まれている。
【０００３】
太陽光を効率よく光電変換する太陽電池として、バンドギャップ（禁制帯幅）が異なる複数の太陽電池を積層したタンデム型太陽電池（積層型太陽電池）が知られている。このタンデム型太陽電池は、複数の太陽電池がそれぞれ、そのバンドギャップに対応する波長範囲の光を光電変換し、連続的スペクトルを示す光（例えば、太陽光）を効率よく光電変換するので、高い変換効率を示す太陽電池として期待されている。
【０００４】
例えば、結晶シリコン基板を使用した太陽電池は、シリコンの吸収波長の長波長端である１１５０ｎｍ以上の赤外線は透過する。そこで、シリコン結晶の太陽電池の受光面とは反対側の裏面に、赤外線を吸収して発電するゲルマニウム太陽電池を配置し、それらを直列に接続したタンデム構造の太陽電池が知られている。
【０００５】
この場合、１８０μｍのＳｉ単結晶基板を透過する近赤外線は、太陽光全体のエネルギーの１／４程度であるので、シリコン太陽電池セルとゲルマニウム太陽電池を直列に接続した、いわゆるタンデム構造にした場合、太陽電池ＪＳＣ(短絡電流密度）は、シリコン基板を透過した近赤外線のエネルギーに依存するため、シリコン基板のみを用いた太陽電池の１／４程度のＪＳＣとなり、電流整合が不十分であり、発電効率が小さかった。
【０００６】
そこで、特許文献１に示されるようにシリコン太陽電池セルの裏面にゲルマニウム太陽電池を２つ直列に接続したものを配置し、シリコン太陽電池セルと、ゲルマニウム太陽電池セルを２つ直列に接続したものを並列接続した多接合型セルが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−２３９４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一般的に、シリコン太陽電池のセルＶｏｃ（開放電圧）は、ゲルマニウム太陽電池Ｖｏｃの丁度２倍というわけではないので、シリコン太陽電池とゲルマニウム太陽電池を２つ直列に接続したもののＶｏｃは一致しない。そのため、シリコン太陽電池と２つ直列に接続したゲルマニウム太陽電池とを並列に接続した多接合型セルを用いた太陽電池モジュールは、多接合型セル毎にロスがあり発電効率が低くなる恐れがある。本発明は、上述の課題を鑑みなされたものであり、発電効率の高い太陽電池モジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の太陽電池モジュールは、第１の太陽電池セルを複数枚接続した第１の太陽電池群と、第１の太陽電池群の受光面と反対側の面側に絶縁材料を介して設置され、第１の太陽電池セルよりも吸収波長が長波長側にある第２の太陽電池セルを複数枚接続した第２の太陽電池群を備えたものである。
【００１０】
また、本発明の太陽電池モジュールは、第１の太陽電池群を構成する複数枚の第１の太陽電池セルは直列に接続されるとともに、第２の太陽電池群を構成する複数枚の第２の太陽電池セルは直列に接続され、第１の太陽電池群と第２の太陽電池群は並列に接続されたものである。
【００１１】
また、本発明の太陽電池モジュールは、第１の太陽電池群の開放電圧と、第２の太陽電池群の開放電圧が略等しいものである。
【００１２】
また、本発明の太陽電池モジュールは、第１の太陽電池群は、シリコン太陽電池からなり、第２の太陽電池群はゲルマニウム太陽電池からなるものである。
【００１３】
また、本発明の太陽電池モジュールは、第２の太陽電池群は、量子ドットを使用したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、発電効率の高い太陽電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。
【図２】本発明の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。
【図３】本発明の太陽電池モジュールに使用される量子ドットペロブスカイト太陽電池を示す模式図である。
【図４】本発明の太陽電池モジュールに使用される量子ドット太陽電池を示す模式図である。
【図５】本発明の太陽電池モジュールに使用されるペロブスカイト太陽電池を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る説明する。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な説明は繰り返さない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。ＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）樹脂やオレフィン系樹脂などの透明な絶縁シート１５の受光面側上に、シリコン単結晶セルからなる、第１の太陽電池セル１１が縦横に載置され、それぞれインターコネクタ１２で直列に接続され、第１の太陽電池群２３を構成している。インターコネクタ１２は半田メッキされた線状のリボンであり、一方が第１の太陽電池セル１１の受光面側電極に電気的に接続するとともに、他方が裏面側電極に接続している。第１の太陽電池セル１１は、透明なＥＶＡ樹脂１４によって封止されている。さらに、ＥＶＡ樹脂１４上にカバーガラス１３が配置され、光入射面を形成している。第１の太陽電池セルとしては、シリコン単結晶セルのほか、シリコン多結晶セルなど、赤外線を透過する太陽電池セルであればよい。
【００１８】
絶縁シート１５の受光面側と反対側である下方において、ゲルマニウム結晶セルからなる第２の太陽電池セル１９が縦横にＥＶＡ樹脂１７上に配置され、それぞれインターコネクタ２０で直列に接続され第２の太陽電池群２４を構成している。第２の太陽電池群２４は、第１の太陽電池群２３を透過した赤外線などの長波長の光で発電できるよう、第１の太陽電池よりも長波長の光を吸収して発電できるようになっている。
【００１９】
インターコネクタ２０は半田メッキされた線状のリボンであり、一方が第２の太陽電池セルの受光面側電極に電気的に接続するとともに、他方が裏面側電極に接続している。第２の太陽電池セルはＥＶＡ樹脂１６によって封止されている。ＥＶＡ樹脂１７の下方にはバックシート１８が配置され、太陽電池モジュール１０の背面を保護している。
【００２０】
直列に接続された第１の太陽電池セル１１からなる第１の太陽電池群２３と直列に接続された第２の太陽電池セル１９からなる第２の太陽電池群２４は、並列に接続され、正極端子２１と負極端子２２により、電力を取り出すことができる。
【００２１】
第１の太陽電池セルであるシリコン単結晶セル１枚あたりの開放電圧Ｖｏｃは０．６５Ｖであり、１枚の太陽電池モジュールに直列に４８枚接続されて第１の太陽電池群２３いる。第１の太陽電池群２３のＶｏｃは、３１．２Ｖである。
【００２２】
一方、第２の太陽電池セルであるゲルマニウム単結晶セル１枚の開放電圧Ｖｏｃは、０．２７Ｖであり、１枚の太陽電池モジュールに１１６枚直列に接続されている。したがって、１枚の太陽電池モジュールおいて、第２の太陽電池群のＶｏｃは、３１．３Ｖであり、第１の太陽電池群のＶｏｃ略等しくなっている。
【００２３】
第１の太陽電池群２３のＶｏｃと、第２の太陽電池群２４’のＶｏｃを略等しくすることで、太陽電池モジュールの発電効率を高めることができる。
【００２４】
第１の太陽電池群２３と第２の太陽電池群２４は、絶縁シート１５で絶縁されているので、電流がリークされたりする怖れが無く、第１の太陽電池群２３と第２の太陽電池群２４のそれぞれの両端を並列に接続したので配線も単純であり、生産性も高い。
【００２５】
第１の太陽電池の直列接続の枚数は、及び第２の太陽電池の直列接続の枚数はそれぞれんの開放電圧Ｖｏｃがほぼ一致するように定めればよく、特に、
０．９５≦（第１の太陽電池群のＶｏｃ）/（第２の太陽電池群のＶｏｃ）≦１．０５  
であることが好ましい。
【００２６】
太陽電池モジュール１０の受光面側から入射した光は、第１の太陽電池にて吸収され発電する。また、第１の太陽電池群２３の隙間から漏れた光や、第１の太陽電池セル１１で吸収されない赤外線などの長波長の光が第２の太陽電池群２４に入射して発電することにより、効率の良い太陽電池モジュールを得ることができる。
【００２７】
(実施の形態２）
図２は、本発明の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。ＥＶＡ樹脂やオレフィン系樹脂などの透明な絶縁シート１５上に、シリコン単結晶セルからなる、第１の太陽電池セル１１が縦横に載置され、それぞれインターコネクタ１２で直列に接続され、第１の太陽電池群２３を構成している。インターコネクタ１２は半田メッキされた線状のリボンであり、一方が第１の太陽電池セル１１の受光面側電極に電気的に接続するとともに、他方が裏面側電極に接続している。第１の太陽電池セル１１は、透明なＥＶＡ樹脂１４によって封止されている。さらに、ＥＶＡ樹脂１４上にカバーガラス１３が配置され、光入射面を形成している。第１の太陽電池セルとしては、シリコン単結晶セルのほか、シリコン多結晶セルなど、赤外線を透過する太陽電池セルであればよい。
【００２８】
絶縁シート１５の受光面側とは反対側下方に、ガラス基板２５があり、ガラス基板２５上に第２の太陽電池セル２９からなる、第２の太陽電池群２４’が形成されている。第２の太陽電池セル２９は、薄膜ゲルマニウム太陽電池であって、ガラス基板２５上に透明導電層２６、薄膜ゲルマニウムの発電層２７、裏面電極層２８を順に積層して形成したものである。それぞれの層はパターニングされて、多数の太陽電池セル２９に分割されている。透明導電層２６および裏面電極層２８を介して隣の発電層２７に電気的に接続することにより、それぞれの太陽電池セル２９が直列に接続されて、第２の太陽電池群２４’を形成している。また、第２の太陽電池群２４’は、ＥＶＡ樹脂３０で封止されている。また、太陽電池モジュール１０’の裏面はバックシート３１が配置されている。
【００２９】
直列に接続された第１の太陽電池セル１１からなる第１の太陽電池群２３と直列に接続された第２の太陽電池セル２９からなる第２の太陽電池群２４’は、並列に接続され、正極端子２１、負極端子２２により、電力を取り出すことができる。
【００３０】
第１の太陽電池セル１１であるシリコン単結晶セル１枚の開放電圧Ｖｏｃは０．６５Ｖであり、直列に４８枚接続された第１の太陽電池群２３のＶｏｃは、３１．２Ｖである。
【００３１】
一方、第２の太陽電池セル２９である薄膜ゲルマニウムセル１つの開放電圧Ｖｏｃは、０．３５Ｖであり、直列に８９枚接続された第２の太陽電池群２４’Ｖｏｃは、３１．２Ｖであり、第２の太陽電池群のＶｏｃ略等しくなっている。
【００３２】
直列接続した第１の太陽電池群２３のＶｏｃと、直列接続した第２の太陽電池群２４’のＶｏｃを略等しくすることで、太陽電池モジュールの発電効率を高めることができる。
【００３３】
(実施の形態３）
上述の実施の形態２の太陽電池セル２９において、薄膜ゲルマニウム太陽電池に代えて、ＣＨ３ＮＨ３ＩとＰｂＣｌ２をモル比において３：１で混合して形成されるペロブスカイトに、量子ドットとして直径３ｎｍ〜５０ｎｍのＩｎＮナノ粒子を離散的に分散した薄膜を用いた量子ドットペロブスカイト太陽電池を用いることができる。量子ドットとして、近赤外における吸光度の高いＩｎＮナノ粒子を用いることで、量子ドットペロブスカイト太陽電池を使用して第２の太陽電池群を構成することができる。ＩｎＮナノ粒子は、例えば、特開２０１２−２４６４７０に記載の方法によって形成することができる。
【００３４】
図３は、本発明の太陽電池モジュールに使用されるペロブスカイト太陽電池の模式図である。量子ドットペロブスカイト太陽電池４０は、ガラス基板４１上に、透明電極４２、ホール輸送層４３、ペロブスカイト層４４、電子輸送層４６、金属電極４７を順に積層した構造である。ペロブスカイト層４４には、ＩｎＮナノ粒子４５が分散されている。ＩｎＮナノ粒子４５の間隔は２ｎｍ程度である。ＩｎＮナノ粒子同士を２ｎｍ程度の間隔に配置することによって、ＩｎＮナノ粒子同士がトンネル結合するようになり、吸光度の高い、狭バンドギャップのペロブスカイト層４４形成することが可能になる。ホール輸送層４３、ペロブスカイト層４４、および電子輸送層４６で発電層４８を構成している。
【００３５】
ペロブスカイト太陽電池を使用した太陽電池モジュールは、図２に示される太陽電池モジュールと同様の構造をとることができる。すなわち、図２における発電層２７をペロブスカイト太陽電池の発電層４８に置き換えた構造をとる。
【００３６】
ペロブスカイト太陽電池は以下のように作成することができる。まず、ガラス基板４１上に厚さ１００ｎｍのＩＴＯをスパッタリングで形成し、透明電極４２を形成する。
【００３７】
次に、透明電極４２上に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ） Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎａｔｅ）をスピンコートで５０ｎｍ塗布してホール輸送層４３を形成する。
【００３８】
次に、ペロブスカイト溶液に、ペロブスカイト成分に対して５０ｗｔ％の、量子サイズ効果が発生しないド・ブロイ波長以上である直径１０ｎｍのＩｎＮナノ粒子を添加したものを、ホール輸送層４３上にスピンコートで、厚さ１μｍ程度塗布することにより、ＩｎＮナノ粒子４５を分散したペロブスカイト層４４を形成する。
【００３９】
次に、ペロブスカイト層４４上に、ＰＣＢＭ（［６，６］−Ｐｈｅｎｙｌ−Ｃ６１−Ｂｕｔｙｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｍｅｔｈｙｌ Ｅｓｔｅｒ）をスピンコートして、電子輸送層４６を形成する。電子輸送層４６の厚みは１００ｎｍ程度である。電子輸送層４６を積層した後、１００℃程度で焼成する。最後に、厚さ１００ｎｍのアルミ電極を真空蒸着で形成して量子ドットペロブスカイト太陽電池４０を形成する。
【００４０】
電子輸送層４６として酸化チタン微粒子を使用しても良い。この場合、ＩＴＯの上に酸化チタン微粒子を２μｍ塗布し、酸化チタン粒子の上にペロブスカイト層、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層、アルミ電極を順に形成する。
【００４１】
このようにして、近赤外の太陽電池を形成することができる。発電層４８がスピンコートやスクリーン印刷などの非真空工程で形成できるので、生産性を向上させることができる。
【００４２】
(実施の形態４）
図４は、本発明の太陽電池モジュールに使用される量子ドット太陽電池の模式図である。ＩｎＮナノ粒子４５’はコアシェル型のナノ粒子であり、アクリル樹脂４４’の絶縁材料に分散している。コアシェル型のＩｎＮナノ粒子４５’は、直径１０ｎｍのＩｎＮ粒子４５ａ’を厚さ１ｎｍ程度のＧａＮ４５ｂ’でコーティングした粒子である。
【００４３】
ＩｎＮナノ粒子をコアシェル型にすると、発電特性が改善する。また、ＩｎＮナノ粒子４５’同士が接触してトンネル接合するので、ＩｎＮナノ粒子を離散的に分散する必要がなくなる。また、ＩｎＮナノ粒子４５’を分散するアクリル樹脂４４’は必ずしも必要はなく、ＩｎＮナノ粒子４５’焼結したものであってもよい。
【００４４】
コアシェル型のナノ粒子が接触している場合、コアの半径を２倍にした距離ａとシェルの厚さを２倍にした距離ｂを周期ポテンシャルと見なし、ブロッホ関数を作る。ブロッホ関数の解から求められる許容されたエネルギーバンドが中間バンドとなる。中間バンドを電子は移動することができる。
【００４５】
ＩｎＮナノ粒子４５’を含有する発電層４８’をホール輸送層４３、電子輸送層４６で挟むことによって、太陽光を電気エネルギーとして取り出すことができる。
【００４６】
量子ドット太陽電池を使用した太陽電池モジュールは、図２に示される太陽電池モジュールと同様の構造をとることができる。すなわち、図２における発電層２７を量子ドット太陽電池の発電層４８’に置き換えた構造をとる。
【００４７】
実施の形態３、実施の形態４に示した上述の実施の形態１または２に示した第１の太陽電池セル１１はシリコン太陽電池であるが、シリコン太陽電池に代えて、可視光を吸収して発電するペロブスカイトを使用した薄膜太陽電池を用いることができる。
【００４８】
(実施の形態５）
上述の実施の形態１または２に示した第１の太陽電池セル１１はシリコン太陽電池であるが、シリコン太陽電池に代えて、可視光の波長に吸収領域を持つペロブスカイトを使用した薄膜太陽電池を用いることができる
ペロブスカイト太陽電池は、輸送層と電子輸送層の間にペロブスカイトを真性半導体として使用して、ホール輸送層と電子輸送層を挟んだものであり、ホール輸送層としては、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ電子輸送層としてはＰＣＢＭなどの有機材料を使用することができる。ホール輸送層と電子輸送層はそれぞれ電極に接続される。
【００４９】
さらに、ｎ型ペロブスカイト層、ｐ型ペロブスカイト層を作成することで、上述のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのホール輸送層やＰＣＢＭの電子輸送層が要らない安価な太陽電池を提供することができる。
【００５０】
図５は、本発明の太陽電池モジュールに使用されるペロブスカイト太陽電池を示す模式図である。ガラス基板５１上に厚さ１００ｎｍの透明導電層５２をスパッタで形成する。次に、２００ｎｍのｐ型ペロブスカイト層５３、および、２００ｎｍのｎ型ペロブスカイト層５４を順次形成する。最後に厚さ１００ｎｍのアルミ電極５５を真空蒸着で形成してペロブスカイト太陽電池５０を形成することができる。
【００５１】
第１の太陽電池群を構成するペロブスカイト太陽電池は、第２の太陽電池群と同様に、多数の太陽電池セルに分割され、それぞれの太陽電池セルが直列接続されている。また、ペロブスカイト太陽電池で構成される第１の太陽電池群のＶｏｃと、ペロブスカイト太陽電池の受光面と反対側に配置される第２の太陽電池群のＶｏｃは、略等しくなるように直列接続されるセル数が調整されている。
【００５２】
ペロブスカイト材料として、ＣＨ３ＮＨ３ＩとＰｂＣｌ２をモル比において３：１で溶媒に溶かし、さらに、１ｗｔ％のＩｎＣｌ３を添加したものを、スピンコートすることにより、ｐ型ペロブスカイト層５３を作製することができる。添加物として、Ｉｎの代わりにＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉの化合物を使用しても良い。ｐ型ペロブスカイト層は、一般的なペロブスカイト太陽電池のホール輸送層として使用することもできる。
【００５３】
ペロブスカイト材料として、ＣＨ３ＮＨ３ＩとＰｂＣｌ２をモル比において３：１で溶媒に溶かし、さらに、１ｗｔ％のＰＣｌ５を添加したものを、スピンコートすることにより、ｎ型ペロブスカイト層５４を作成することができる。添加物として、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの化合物を使用しても良い。ｎ型ペロブスカイト層は、一般的なペロブスカイト太陽電池の電子輸送層として使用することもできる。
【００５４】
ペロブスカイトに３価の不純物を添加したｐ型のペロブスカイトと、ペロブスカイトに５価の不純物を添加したｎ型ペロブスカイトを使用した発電層有する太陽電池で、第１の太陽電池群を構成することにより、生産性を向上させることができる。
【００５５】
また、一般的なホール輸送層、ペロブスカイト層、電子輸送層からなる、ペロブスカイト太陽電池で、第１の太陽電池群を構成することにより、生産性を向上させることができる。
【００５６】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５７】
１０…太陽電池モジュール
１１…太陽電池セル
１２…インターコネクタ
１３…カバーガラス
１４…ＥＶＡ樹脂
１５…絶縁シート
１６…ＥＶＡ樹脂
１７…ＥＶＡ樹脂
１８…バックシート
１９…太陽電池セル
２０…インターコネクタ
２１…正極端子 
２２…負極端子
２３…第１の太陽電池群
２４…第２の太陽電池群
２５…ガラス基板
２６…透明導電層
２７…発電層
２８…裏面電極層
２９…太陽電池セル
３０…ＥＶＡ樹脂
３１…バックシート
４０…量子ドットペロブスカイト太陽電池
４１…ガラス基板
４２…透明電極
４３…ホール輸送層
４４…ペロブスカイト層
４４’…アクリル樹脂
４５、４５’…ＩｎＮナノ粒子
４６…電子輸送層
４７…金属電極
４８，４８’…発電層
５０…ペロブスカイト太陽電池
５１…ガラス基板
５２…透明導電層
５３…ｐ型ペロブスカイト層
５４…ｎ型ペロブスカイト層
５５…アルミ電極
【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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