太陽電池モジュール
【課題】色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を用いた太陽電池モジュールであって、発電効率の向上を図ることができると共に作製が容易な太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数の太陽電池セル２０が積層されてなるセルユニット１０と、セルユニット１０を支持する支持体３０と、を備え、太陽電池セル２０は、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池であり、支持体３０は、板状のベース部３２と、ベース部３２上に設けられており対向して配置された少なくも一対の側壁部３１，３１側と、を有し、セルユニットは、一対の側壁部３１，３１間において、太陽電池セルへ光１００が入射する面２０ａの法線方向に対して光１００が斜めに入射するように傾けて配置されている。
【解決手段】複数の太陽電池セル２０が積層されてなるセルユニット１０と、セルユニット１０を支持する支持体３０と、を備え、太陽電池セル２０は、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池であり、支持体３０は、板状のベース部３２と、ベース部３２上に設けられており対向して配置された少なくも一対の側壁部３１，３１側と、を有し、セルユニットは、一対の側壁部３１，３１間において、太陽電池セルへ光１００が入射する面２０ａの法線方向に対して光１００が斜めに入射するように傾けて配置されている。
【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係るものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池としては、単結晶シリコン太陽電池がある。単結晶シリコン太陽電池は、発電効率が高いが、安価に作製することができない。そのため、近年、色素増感型太陽電池(特許文献１，２参照)や、アモルファスシリコン太陽電池といった薄膜太陽電池の開発が進められている。色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池は、比較的安価に作製できるが、発電効率は単結晶シリコン太陽電池に比して低いことが知られている。例えば、ＮＲＥＬ、ＡＩＳＴなどの公的機関に認定された発電効率では、単結晶シリコン２５．０％に対して、アモルファスシリコン太陽電池が９．５％で、色素増感型太陽電池の場合が１０．４％である。この数字はここ数年大きな上昇は見られず、例えば色素増感太陽電池では１９９７年から２００８年の間で１０．０％から１０．４％に上昇しているに過ぎない。
【０００３】
そのため、色素増感型太陽電池などでは、発電効率の向上が技術的課題の一つであり、例えば、特許文献３では、異なる色素を吸着させた２種類の光電変換層を持つ積層モジュール、いわゆるタンデム型太陽電池が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願昭６３−９０１５３号公報
【特許文献２】特開平１−２２０３８０号公報
【特許文献３】特開２００６−２４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、タンデム型太陽電池のように、太陽電池セル内部の構造において太陽電池の発電効率の向上を図ろうとすると、太陽電池セルの作製の容易性が損なわれることになる。
【０００６】
そこで、本発明は、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を用いた太陽電池モジュールであって、発電効率の向上を図ることができると共に作製が容易な太陽電池モジュール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】
【０００７】
本発明に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルが積層されてなるセルユニットと、セルユニットを支持する支持体と、を備え、太陽電池セルは、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池であり、支持体は、板状のベース部と、ベース部上に設けられており対向して配置された少なくも一対の側壁部側と、を有し、セルユニットは、一対の側壁部間において、太陽電池セルへ光が入射する面の法線方向に対して光が斜めに入射するように傾けて配置されている、ことを特徴とする。
【０００８】
上記構成では、太陽電池モジュールに入射した光は、セルユニットを構成する複数の太陽電池セル各々に斜めに入射する。このように、各太陽電池セルに斜めに光が入射した場合、太陽電池セルを通過する光の光路長は、太陽電池セルに対して垂直入射した場合より長くなる。また、セルユニットが複数の太陽電池セルから構成されているため、複数の太陽電池セルが積層されてなるセルユニットにおいて、上側に位置する太陽電池セルで吸収されなかった太陽光も下側の太陽電池セルで吸収することができる。その結果、太陽光をより有効に利用でき、セルユニットでの単位面積当たりの発電効率の向上がする。更に、セルユニットを複数の太陽電池セルから構成していることから、太陽電池モジュールに入射する光の進行方向に直交する平面に対するセルユニットの射影面積を確保することができる。そのため、太陽電池モジュールにおいて、より高い発電効率を実現可能である。また、太陽電池モジュールに入射してくる光に対して太陽電池セルを傾けることで、発電効率の向上を図っているので、太陽電池モジュールの作製も容易となっている。
【０００９】
本発明に係る太陽電池モジュールでは、上記セルユニットを複数有し、複数のセルユニットが、一対の側壁部間に互いに離間して配置されている、ことも好適である。
【００１０】
この構成では、複数のセルユニットを構成する太陽電池セルをすべて合計した枚数の太陽電池セルを一つのセルユニットとした場合より、太陽光の入射方向に略直交する仮想的な平面に対する射影面積を確保することができる。その結果、太陽電池モジュール全体としての発電効率の向上を図ることができる。
【００１１】
この場合、複数のセルユニットは、ベース部の法線方向において互いに重なっていることが好ましい。
【００１２】
上記構成では、隣接するセルユニットは、法線方向において一部重なっている部分において、その重なっている部分の上側のセルユニットを透過した太陽光を下側のセルユニットで利用することができるため、太陽光の利用効率が向上する。その結果、発電効率の向上を更に図ることができる。
【００１３】
本発明に係る太陽電池モジュールでは、一対の前記側壁部において前記セルユニットが配置される側の面が鏡面であることが好ましい。これにより、一対の側壁部の間に入射した光を効率的に利用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を用いた太陽電池モジュールであって、発電効率の向上を図ることができると共に作製が容易な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】本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態の概略構成を示す端面図である。
【図２】図１に示した太陽電池モジュールで好適に用いられる太陽電池セルの断面図である。
【図３】太陽光が太陽電池セルに垂直入射する場合の光路長を示す模式図である。
【図４】実施形態における入射光としての太陽光とセルユニットとの関係を示す図面である。
【図５】実験に使用した太陽電池モジュールの側面図である。
【図６】傾き角の変化に対する単位面積当たりの発電効率の変化を示すグラフである。
【図７】シミュレーションモデルを示す模式図である。
【図８】シミュレーションに使用した、色素が添加されたＴｉＯ２膜の吸収係数データを示す図面である。
【図９】シミュレーションに使用した、電解液部の吸収係数データを示す図面である。
【図１０】シミュレーションに使用した、透明導電膜の吸収係数データを示す図面である。
【図１１】色素増感型太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。
【図１２】アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。
【図１３】シミュレーションに使用した、アモルファスシリコンの屈折率データを示す図面である。
【図１４】シミュレーションに使用した、アモルファスシリコンの吸収係数データを示す図面である。
【図１５】本発明に係る太陽電池モジュールの他の実施形態を示す端面図である。
【図１６】シミュレーションモデルを示す模式図である。
【図１７】モジュール幅と光利用効率との関係を示すシミュレーション結果を示す図面である。
【図１８】シミュレーションの一条件における複数の太陽電池セルの配列状態を示す図面である。
【図１９】図１０に示した太陽電池モジュールにおける配線状態の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明に係る太陽電池モジュールの実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態の概略構成を示す端面図である。図１に示すように、太陽電池モジュール１は、太陽光１００から電気エネルギーを生成するものであり、セルユニット１０と、セルユニット１０を収容すると共に支持する収容ボックス３０とを備えている。
【００１８】
収容ボックス３０は、４つの側板部（側壁部）３１と、それらの側板部３１が設けられる底板部（ベース部）３２とを有する。本実施形態では、底板部３２の法線方向に平行に太陽光１００が太陽電池モジュール１に入射されるように太陽光１００に対して収容ボックス３０が配置されているものとする。図１では、４つの側板部３１のうち、底板部３２に直交しており互いに対向する一対の側板部３１を示している。他の２つの側板部３１は、互いに対向しており、図１に示した側板部３１に直交するように配置されている。底板部３２及び側板部３１は、一体に成型されたものとすることができる。底板部３２及び各側板部３１の内面は鏡面加工されていることが太陽光１００の利用効率の観点から好ましい。
【００１９】
図１に示すように、収容ボックス３０において底板部３２に対向する面側は開放されているとすることができる。しかしながら、収容ボックス３０の開放面は、太陽光１００に対して透光性を有するカバー部として、例えばガラス板を設けることができる。このような構成では、収容ボックス３０内のセルユニット１０の収容空間内に塵や埃などが入りにくくなるので好ましい。
【００２０】
セルユニット１０は、単独で動作可能であり太陽光１００を電気エネルギーに変換する太陽電池セル２０が複数枚重ねられて構成されている。各太陽電池セル２０は、平面視形状が略正方形の板状体である。太陽電池セル２０のセル幅Ｔは０．１ｍが例示され、厚さＴは０．０２ｍが例示される。太陽電池セル２０は、波長領域３００ｎｍ〜９００ｎｍに透過する波長領域を有する、すなわち、太陽光１００の一部を透過する性質を有するものである。具体的には、太陽電池セル２０は、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池である。太陽電池セル２０としての色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池は、従来のものを使用することができる。薄膜太陽電池としては、アモルファスシリコン太陽電池、有機薄膜太陽電池又はＧａ系やＣＺＴＳの太陽電池の薄膜のもの（例えば、可視光領域で透過率が５０％を超える領域を持つもの）が例示される。ここでは、太陽電池セル２０の平面視形状は略正方形としたがこれに限定されず、例えば長方形とすることもできる。
【００２１】
セルユニット１０は、少なくとも図１に示している一対の側板部３１及び底板部３２により支持固定されている。また、セルユニット１０は、太陽電池セル２０における太陽光１００が入射する面２０ａの法線方向に対して太陽光１００が所定の角度θで入射するように配置されている。すなわち、図１に示したように、底板部３２の法線方向に平行に太陽光１００が太陽電池モジュール１に入射するとした場合には、太陽光１００の入射方向と、面２０ａの法線方向とが角度θを有するように配置されており、セルユニット１０は、底板部３２に対して傾き角θを有することになる。複数の太陽電池セル２０は、隣接する太陽電池セル２０間において一部重ならない領域を有するように隣接する太陽電池セル２０間でずれて重なっている。例えば、図１に示すように、隣接する２つの太陽電池セル２０において図中の右側の太陽電池セル２０の右端部が左側の太陽電池セル２０の右端部より突出するように重ねられている。上記構成の太陽電池モジュール１では、角度θで傾けられた太陽電池セル２０が重ねられてセルユニット１０を構成していることになる。
【００２２】
上記角度θは、少なくとも一つの太陽電池セル２０の下側（底板部３２側）に他の太陽電池セルを設置できる角度以上必要である。具体的には、Ｔ／ｓｉｎθ＜Ｌｃｏｓθを満たす角度θである。角度θとしては、上記範囲を満たしうえで、使用する太陽電池セル２０の特性に応じて最適な角度を設定する。
【００２３】
隣接する太陽電池セル２０は、互いに接するように重ねられるが、それらの間に隙間ができた場合の空気層での反射を防止するため、例えば、屈折率調節剤を設けてもよいし、光学用接着剤で接着してもよい。また、各太陽電池セル２０には、太陽光１００を有効利用するために反射防止膜をその表面に設けてもよい。また、太陽電池モジュール１から生成された電気エネルギーを電流又は電圧として取り出す際に、複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差が生じる場合には、セルユニット１０を構成する複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差を解消する回路として、例えばバイパスダイオードや昇圧回路などを設けることもできる。
【００２４】
図２は、図１に示した太陽電池モジュールで好適に用いられる太陽電池セルの一例の断面図である。図２に示した太陽電池セル２０は、平面視形状が略正方形状の板状体としての色素増感型太陽電池である。太陽電池セル２０は、ガラス板２１上に、透明導電膜２２、電解液部２３、色素が添加されたＴｉＯ２膜２４、透明導電膜２５及びガラス板２６が順に積層されて構成されている。この構成では、ＴｉＯ２膜２４の部分が光電変換層、換言すれば、発電領域である。透明電極膜２２，２５間に設けられた電解液部２３およびＴｉＯ２膜２４の周囲には、封止用の樹脂２７が設けられている。
【００２５】
次に、図１に示した太陽電池モジュールの作用効果について、図３及び図４を参照して従来のものと比較しながら説明する。図３は、太陽光が太陽電池セルに垂直入射する場合の模式図である。図４は、本実施形態における入射光としての太陽光とセルユニットとの関係を示す図面である。
【００２６】
色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池では、太陽光１００が有する波長領域に対して吸収の低い波長領域を有する。従って、太陽電池セル２０に入射した太陽光１００のうち、太陽電池セル２０内を伝搬する間に吸収されなかったものは、太陽電池セル２０を透過することになる。
【００２７】
従来、太陽電池セル（太陽電池）１０の配置方法としては、図３に示したように、太陽光１００が太陽電池セル２０の面２０ａに対して垂直入射するように配置することが一般的であった。この場合、太陽光１００が太陽電池セル２０内を通過する際の光路長は実質的に太陽電池セル２０の厚さＴになる。
【００２８】
これに対して、本実施形態では、図４に示すように、太陽電池セル２０が、太陽電池モジュール１に入射してくる太陽光１００に対して傾いているので、図３に示したように太陽電池セル２０に対して太陽光１００が垂直入射する場合よりも太陽電池セル２０における太陽光１００の光路長が長くなる。その結果、太陽電池セル２０における単位面積当たりの発電効率が高くなる。また、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池である太陽電池セル２０では、太陽光１００の一部が透過することになるが、透過した太陽光１００は、セルユニット１０の他の太陽電池セル２０（図１及び図４の下側の太陽電池セル２０）に入射するため、太陽光１００を有効利用できる。
【００２９】
また、複数枚の太陽電池セル２０からなるセルユニット１０では、図１及び図４に示したように太陽電池セル２０をずらしながら重ねているため、太陽光１００の太陽電池モジュール１への入射方向に直交する面へのセルユニット１０の射影面積を確保できる。その結果、太陽電池モジュール１の発電効率を向上させることができる。
【００３０】
更に、前述したように太陽電池セル２０としては、従来の色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を使用できるので、太陽電池セル２０の作製も容易であり、結果として、太陽電池モジュール１の作製も容易となっている。また、太陽電池セル２０を太陽光１００の入射方向に対して傾斜させることで発電効率の向上を図っているので、太陽電池セル２０自体の耐久性を維持しながら発電効率の向上を図ることができる。
【００３１】
また、図３に示したような従来の配置では、厚さＴまたは太陽電池セル２０内における光電変換層を厚くすることで吸収の増大を図ることが考えられるが、この場合、吸収光−電流の変換効率が低下することになる。
【００３２】
これに対して、本実施形態では、太陽電池セル２０の厚さＴや太陽電池セル２０内の光電変換層の厚さは従来と同様とすることができるので、各太陽電池セル２０における吸収光−電流の変換効率の低下はない。その結果、前述したように発電効率を容易に向上させることが可能である。
【００３３】
更にまた、収容ボックス３０内の内面を鏡面とすることで、側壁部３１や底板部３２の内面に到達した太陽光１００を太陽電池セル２０に再入射させることができる。これにより、太陽電池セル２０での光吸収量が上昇するので、太陽電池モジュール１全体の発電効率の向上を更に図ることができる。また、前述したように、反射防止膜や、屈折率調整剤などを用いて、適切な光学特性を付与して光路の調整を行うことで、太陽電池セル２０における光吸収量を上昇させることができる。そのため、更に太陽電池モジュール１全体の発電効率を上昇させることが可能である。
【００３４】
次に、実験結果及びシミュレーション結果を参照して太陽電池モジュール１の作用効果について具体的に説明する。
【００３５】
図５は、実験に使用した太陽電池モジュールの側面図である。図５に示した太陽電池モジュール２では、底板部３２としての鏡４２上に、一対の側板部３１としての鏡４１，４１を鏡４２に直交させて所定の間隔をあけて配置し、鏡４１，４１を固定部材４３により鏡４２に固定したものを支持体４０として用いた。なお、鏡４１，４２，４３はその鏡面が内側になるように配置している。そして、一対の鏡４１,４１間に、太陽電池セル２０を配置して太陽電池モジュール２とした。
【００３６】
使用する太陽電池セル２０は、図２に示した構成のものであり、セル幅Ｌが約０．１ｍで厚さＴが約２．２ｍｍである色素増感型太陽電池とした。色素としては赤色色素を用いた。この太陽電池セル２０は、波長７５０ｎｍ〜８００ｎｍでは７５％以上の光を透過した。
【００３７】
実験では、太陽光１００に相当する擬似太陽光１０１として、光源としての株式会社ワコム電装製ＷＸＳ−１５５５−Ｌ２から出力される光を鏡４２の法線方向に平行に入射させ、使用する太陽電池セル２０の枚数を１枚の場合と２枚の場合とにおいて、鏡４２に対する太陽電池セル２０の傾き角θを変化させながら各太陽電池セル２０からの短絡電流を測定した。なお、太陽電池セル２０が２枚の場合が、図１におけるセルユニット１０に対応する。
【００３８】
図６は、傾き角の変化に対する単位面積当たりの発電効率の変化を示すグラフである。図６の横軸は、太陽電池セル２０の鏡４２に対する傾き角θを示している。図６の縦軸は、単位面積当たりの短絡電流の増加率を示している。セルユニット１０の場合の単位面積当たりの短絡電流は、各太陽電池セル２０から出力される短絡電流ＩＳＣの総和をセルユニット１０の鏡４２への射影面積で除した値とした。一枚の太陽電池セル２０を使用した場合の単位面積当たりの短絡電流は、その太陽電池セル２０から出力される短絡電流ＩＳＣを太陽電池セル２０の鏡４２への射影面積で除した値とした。また、縦軸の増加率は、太陽電池セル２０へ擬似太陽光１０１を垂直入射させた場合を増加率１００％とした相対値である。
【００３９】
図６に示すように、太陽電池セル２０が１枚の場合でも例えば角度θが４０°以上において、垂直入射の場合より、単位面積当たりの短絡電流が増加していることがわかる。更に、太陽電池セル２０を２枚重ねてセルユニット１０することで、より大きい電流を取り出すことができる。よって、単位面積当たりの発電効率の向上が更に図れる。
【００４０】
次に、図６に示した実験に対応するシミュレーション結果について説明する。
【００４１】
先ず、シミュレーション条件について説明する。図７は、シミュレーションモデルを示す模式図である。図６に示した支持体４０（又は図１の収容ボックス３０）に対応するものとして図７に示すように、一辺が開放された長方形状の支持体モデル５０を想定し、開放側に対向する辺５２上であって一対の辺５１，５１間にセルユニット１０を辺５２の法線方向に対して角度θ傾けて配置した場合を想定した。また、太陽電池セル２０としては、図２に示した構成の色素増感型太陽電池において、樹脂２７を設けていないものとした。太陽電池セル２０としての色素増感型太陽電池において色素として赤色色素を採用した。
【００４２】
シミュレーションで採用した太陽電池セル２０では、ガラス板２１、透明導電膜２２、電解液部２３、ＴｉＯ２膜２４、透明導電膜２５、ガラス板２６の厚さｔ１,ｔ２,ｔ３,ｔ４,ｔ５,ｔ６は次のとおりである。
・ガラス板２１の厚さ：ｔ１＝１．０ｍｍ
・透明導電膜２２の厚さ：ｔ２＝０．７５μｍ
・電解液部２３の厚さ：ｔ３＝４５μｍ
・ＴｉＯ２膜２４の厚さ：ｔ４＝５μｍ
・透明導電膜２５の厚さ：ｔ５＝０．７５μｍ
・ガラス板２６の厚さ：ｔ６＝１．０ｍｍ
【００４３】
また、シミュレーションでは、ガラス板２１，２６の屈折率を１．５、透明導電膜２２，２５の屈折率を１．９１、電解液部２３の屈折率を１．５、ＴｉＯ２膜２４の屈折率を２．０とした。更に、ＴｉＯ２膜２４における吸収係数は、図８に示した吸収係数のデータを採用した。図８において横軸は波長を示し、縦軸は吸収係数を示している。同様に、電解液部２３及び透明導電膜２２，２５の吸収係数は、それぞれ図９及び図１０に示した吸収係数のデータを採用した。図９及び図１０における横軸及び縦軸は図８の場合と同様である。なお、ガラス板２１，２６については、後述するシミュレーションで使用した波長領域では吸収はないと仮定した。
【００４４】
シミュレーションでは、太陽光１００として、波長範囲４５０〜８００ｎｍの光１０２を想定し、初期条件として光１０２を辺５２の法線方向に入射させ、一枚の太陽電池セル２０、又は複数の太陽電池セル２０からなるセルユニット１０の傾き角θを変化させて、ＴｉＯ２膜２４において吸収された量により光利用効率を評価した。本シミュレーションでは、光利用効率が高いほど、発電効率が高いとしている。シミュレーションでは、光線追跡法を採用し、辺５１，５２の位置での境界条件として反射率１００％を仮定した。
【００４５】
図１１は、色素増感型太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。図中の横軸は傾き角θを示しており、縦軸は、θ＝０の場合を基準として評価した光利用効率を示している。
【００４６】
図１１に示すように、太陽電池セル２０が１枚以上の場合であっても傾き角θが３０°より大きい場合には、光利用効率が向上している。更に、太陽電池セル２０を２枚以上とした場合、すなわち、セルユニット１０を構成した場合、傾き角θが１０°以上により光利用効率が向上している。このシミュレーション結果に基づくと、太陽電池セル２０が２枚〜３枚からなるセルユニット１０では、傾き角θとしては、０°より大きく９０°未満が好ましく、更に、１０°以上８０°以下が好ましく、更には、３０°以上８０°以下が好ましいことがわかる。また、太陽電池セル２０が１０枚からなるセルユニット１０の場合には、傾き角θは、０°より大きく９０°未満が好ましく、１０°以上８０°以下が更に好ましく、３０°以上７０°以下が好ましいことがわかる。
【００４７】
図１２は、アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。シミュレーションモデル及びシミュレーション方法は、図１１に示した色素増感型太陽電池を太陽電池セル２０として実施した場合のシミュレーションと同様である。アモルファスシリコン太陽電池としての太陽電池セル２０のモデルは、図２に示した構成においてＴｉＯ２膜２４と電解液部２３とからなる部分をアモルファスシリコン層としたものを採用した。アモルファスシリコン層の厚さ、すなわち、透明導電膜２２,２５間の距離は１μｍである。また、アモルファスシリコン層の屈折率及び吸収係数としては、それぞれ図１３及び図１４に示したデータを採用した。図１３,図１４の横軸は波長を示している。また、図１３及び図１４の縦軸はそれぞれ屈折率及び吸収係数を示している。太陽電池セル２０のモデルは、上記アモルファスシリコン層以外は、色素増感型太陽電池を太陽電池セル２０とした場合のシミュレーション用のモデルと同様である。
【００４８】
図１２に示すように、太陽電池セル２０の枚数が１枚以上３枚以下では、傾き角θが５０°より大きく７０°より小さい範囲で光利用効率の向上が図れている。なお、アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セル２０とする場合には、１０枚では利用効率が低下することがわかる。よって、アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セル２０とする場合には、セルユニット１０を２枚又は３枚からなる太陽電池セル２０から構成し、傾き角θとして、５０°より大きく７０°より小さく設定することが好ましく、傾き角θとしては、約６０°が更に好ましい。
【００４９】
上記のように、使用する太陽電池セル２０の種類及び構成並びにセルユニット１０を構成する太陽電池セル２０の枚数などにより、光利用効率、すなわち、発電効率が変化することになるため、それらの諸条件に応じて最適な角度及び枚数などを適宜設定することにより、発電効率の向上を図ることができる。諸条件の設定方法としては、例えば、シミュレーションにより設定することができる。
【００５０】
（第２の実施形態）
図１５は、本発明に係る太陽電池モジュールの他の実施形態を示す端面図である。図１５に示した太陽電池モジュール３では、収容ボックス３０を構成する一対の側板部３１間に、傾き角θで傾けたセルユニット１０を複数配置している点で、第１の実施形態の場合と相違する。この相違点以外の構成は、第１の実施形態の場合と同様であるため、相違点を中心にして太陽電池モジュール１について説明する。
【００５１】
説明の便宜のため、以下ではセルユニット１０をそれぞれセルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５と称す。図１５では、５個のセルユニット１０,１０,１０,１０,１０を配置している場合を例示しているが、セルユニット１０の数は５個に限定されない。
【００５２】
各セルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５は、第１の実施形態と同様に複数の太陽電池セル２０からなる。図１５に示した構成では、各セルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５は、５枚の太陽電池セル２０が重ねられて構成されており、隣接する２つの太陽電池セル２０は一部が重ならないようにずれている。
【００５３】
５個のセルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５は、互いに離間して配置されている。例えば、セルユニット１０２,１０３やセルユニット１０４,１０５のように隣接する２つのセルユニットの間隔ｗは、隣接するセルユニットが底板部３２の法線方向に対して重なりが生じる長さである。このように配置とすることで、太陽電池モジュール３内に含まれる全太陽電池セル２０を使用して一つのセルユニットを構成する場合よりも、発電効率を高めることができる。これは、射影面積を向上させることができるためと考えられる。
【００５４】
シミュレーション結果を参照して具体的に説明する。図１６は、シミュレーションモデルを示す模式図である。シミュレーションでは、図７に示したシミュレーションモデルと同様に、一辺が開放された長方形状の支持体モデル５０における辺５２上に１０枚の太陽電池セル２０からなるセルユニット１０を３つ配置した。太陽電池セル２０は、図１１に示したシミュレーション結果を得るときに実施したシミュレーションで使用した場合と同様の構成である。各セルユニット１０と辺５２とのなす角度θは４０°とした。３つのセルユニット１０は、両側のセルユニット１０の一端が対向する辺５１,５１のそれぞれに接するように配置し、その中間に残りのセルユニット１０を配置した。各辺５１,５１間の距離をモジュール幅Ｗとして、モジュール幅Ｗを変化させることでそれに応じて隣接するセルユニット１０間の間隔ｗを変化させた。シミュレーションは、図１１に示したシミュレーション結果を得るときに実施したシミュレーションの場合と同様に光線追跡法による方法を採用した。また、各辺５１,５２は鏡面であると仮定して反射率１００％とした。
【００５５】
図１７はモジュール幅と光利用効率との関係を示すシミュレーション結果を示す図面である。図１２の横軸はモジュール幅を示している。また、図１７の縦軸は光利用効率を示している。縦軸に記載の光利用効率は、モジュール幅をＷとしたときＷがＷ１（＝１７０ｍｍ）の場合の光利用効率を基準とした相対的な光利用効率である。
【００５６】
なお、モジュール幅がＷ１の場合は、図１８に示すように、３つのセルユニット１０が重なっている場合、すなわち、３０枚の太陽電池セル２０から一つのセルユニット１０が構成されている場合に対応する。また、図１６中のモジュール幅Ｗが、Ｗ２（＝３２０ｍｍ）の場合は、図１６に示した場合のように、３つのセルユニット１０のうち隣接する２つのセルユニット１０において、左側のセルユニット１０の右端と、右側のセルユニット１０の左端とが辺５２の法線方向において重なっている場合を示している。
【００５７】
図１７に示したシミュレーション結果より、セルユニット１０の間の間隔ｗが０の場合からセルユニット１０の間隔ｗが広がるにつれて光利用効率が向上する傾向にあることがわかる。しかしながら、モジュール幅ＷがＷ２を超えた場合、すなわち、隣接する２つのセルユニット１０の間で辺５２の法線方向の重なりがなくなると、光利用効率が低下することがわかる。
【００５８】
したがって、複数のセルユニット１０を支持体で支持する場合には、隣接するセルユニット１０間において底板部３２の法線方向に対して重なりが生じるように配置することが、発電効率の観点から好ましい。
【００５９】
図１９は、図１５に示した太陽電池モジュール１における配線状態の一例を示す模式図である。図１９に示すように、太陽電池モジュール１では、各セルユニット１０１〜１０５における太陽電池セル２０を直列に接続した後、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０を通してＤＣ出力又はパワーコンディショナーに接続する。ＤＣ−ＤＣコンバータにより、例えば昇圧を行うことでセルユニット１０間の出力調整が可能となっている。なお、各セルユニット１０１〜１０５に間において複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差が生じない場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータは必ずしも設けなくてもよい。また、各セルユニット１０１〜１０５を構成する複数の太陽電池セル２０から電気エネルギーを電流又は電圧として取り出す際に、複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差が生じる場合には、第１の実施形態の場合と同様に、各セルユニット１０１〜１０５をそれぞれ構成する複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差を解消する回路として、例えばバイパスダイオードや昇圧回路などを設けることもできる。
【００６０】
以上、本発明に係る太陽電池モジュールの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、セルユニット１０を構成する太陽電池セル２０は、すべて同じものを使用したが、太陽電池セル２０はセルユニット１０内で異なっていてもよい。
【００６１】
同様に、第２の実施形態で説明した場合のように、支持体としての収容ボックス３０内に複数のセルユニット１０を配置する場合には、異なるセルユニット１０を構成する太陽電池セル２０は異なっていてもよい。例えば、セルユニット１０１と、セルユニット１０２とを利用して説明すると、セルユニット１０１を構成する太陽電池セル２０と、セルユニット１０２を構成する太陽電池セル２０とは異なる特性を有するものを使用することもできる。
【００６２】
更に、第２の実施形態で説明した場合のように、支持体としての収容ボックス３０内に複数のセルユニット１０を配置する場合には、異なるセルユニット１０の傾き角θは、同じでなくてもよい。例えば、図１５に示したように、５つのセルユニット１０１〜１０５が収容ボックス（支持体）３０内に配置されるとすると、セルユニット１０１,１０３,１０５が底板部３２に対して第１の傾き角θ１で傾けられており、他のセルユニット１０２,１０４が底板部３２に対して第２の傾き角θ２で傾けられているとすることもできる。
【００６３】
また、支持体としての収容ボックス３０の内面は鏡面加工されているとしたが、必ずしも鏡面でなくてもよい。ただし、鏡面にすることで発電効率を更に高めることができることは前述したとおりである。また、上記実施形態では、収容ボックス３０の底板部３２の法線方向に沿って太陽光１００が入射するとしたため、面２０ａへの入射角に等しい角度だけ、セルユニット１０が底板部３２に対して傾いているとしたが、これに限定されない。
【符号の説明】
【００６４】
１,２,３…太陽電池モジュール、１０…セルユニット、２０…太陽電池セル、２０ａ…面（光が入射する面）、３０…収容ボックス（支持体）、３１…側板部（側壁部）、３２…底板部（ベース部）、４１…鏡（側壁部）、４２…鏡（ベース部）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池としては、単結晶シリコン太陽電池がある。単結晶シリコン太陽電池は、発電効率が高いが、安価に作製することができない。そのため、近年、色素増感型太陽電池(特許文献１，２参照)や、アモルファスシリコン太陽電池といった薄膜太陽電池の開発が進められている。色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池は、比較的安価に作製できるが、発電効率は単結晶シリコン太陽電池に比して低いことが知られている。例えば、ＮＲＥＬ、ＡＩＳＴなどの公的機関に認定された発電効率では、単結晶シリコン２５．０％に対して、アモルファスシリコン太陽電池が９．５％で、色素増感型太陽電池の場合が１０．４％である。この数字はここ数年大きな上昇は見られず、例えば色素増感太陽電池では１９９７年から２００８年の間で１０．０％から１０．４％に上昇しているに過ぎない。
【０００３】
そのため、色素増感型太陽電池などでは、発電効率の向上が技術的課題の一つであり、例えば、特許文献３では、異なる色素を吸着させた２種類の光電変換層を持つ積層モジュール、いわゆるタンデム型太陽電池が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願昭６３−９０１５３号公報
【特許文献２】特開平１−２２０３８０号公報
【特許文献３】特開２００６−２４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、タンデム型太陽電池のように、太陽電池セル内部の構造において太陽電池の発電効率の向上を図ろうとすると、太陽電池セルの作製の容易性が損なわれることになる。
【０００６】
そこで、本発明は、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を用いた太陽電池モジュールであって、発電効率の向上を図ることができると共に作製が容易な太陽電池モジュール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】
【０００７】
本発明に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルが積層されてなるセルユニットと、セルユニットを支持する支持体と、を備え、太陽電池セルは、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池であり、支持体は、板状のベース部と、ベース部上に設けられており対向して配置された少なくも一対の側壁部側と、を有し、セルユニットは、一対の側壁部間において、太陽電池セルへ光が入射する面の法線方向に対して光が斜めに入射するように傾けて配置されている、ことを特徴とする。
【０００８】
上記構成では、太陽電池モジュールに入射した光は、セルユニットを構成する複数の太陽電池セル各々に斜めに入射する。このように、各太陽電池セルに斜めに光が入射した場合、太陽電池セルを通過する光の光路長は、太陽電池セルに対して垂直入射した場合より長くなる。また、セルユニットが複数の太陽電池セルから構成されているため、複数の太陽電池セルが積層されてなるセルユニットにおいて、上側に位置する太陽電池セルで吸収されなかった太陽光も下側の太陽電池セルで吸収することができる。その結果、太陽光をより有効に利用でき、セルユニットでの単位面積当たりの発電効率の向上がする。更に、セルユニットを複数の太陽電池セルから構成していることから、太陽電池モジュールに入射する光の進行方向に直交する平面に対するセルユニットの射影面積を確保することができる。そのため、太陽電池モジュールにおいて、より高い発電効率を実現可能である。また、太陽電池モジュールに入射してくる光に対して太陽電池セルを傾けることで、発電効率の向上を図っているので、太陽電池モジュールの作製も容易となっている。
【０００９】
本発明に係る太陽電池モジュールでは、上記セルユニットを複数有し、複数のセルユニットが、一対の側壁部間に互いに離間して配置されている、ことも好適である。
【００１０】
この構成では、複数のセルユニットを構成する太陽電池セルをすべて合計した枚数の太陽電池セルを一つのセルユニットとした場合より、太陽光の入射方向に略直交する仮想的な平面に対する射影面積を確保することができる。その結果、太陽電池モジュール全体としての発電効率の向上を図ることができる。
【００１１】
この場合、複数のセルユニットは、ベース部の法線方向において互いに重なっていることが好ましい。
【００１２】
上記構成では、隣接するセルユニットは、法線方向において一部重なっている部分において、その重なっている部分の上側のセルユニットを透過した太陽光を下側のセルユニットで利用することができるため、太陽光の利用効率が向上する。その結果、発電効率の向上を更に図ることができる。
【００１３】
本発明に係る太陽電池モジュールでは、一対の前記側壁部において前記セルユニットが配置される側の面が鏡面であることが好ましい。これにより、一対の側壁部の間に入射した光を効率的に利用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を用いた太陽電池モジュールであって、発電効率の向上を図ることができると共に作製が容易な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】本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態の概略構成を示す端面図である。
【図２】図１に示した太陽電池モジュールで好適に用いられる太陽電池セルの断面図である。
【図３】太陽光が太陽電池セルに垂直入射する場合の光路長を示す模式図である。
【図４】実施形態における入射光としての太陽光とセルユニットとの関係を示す図面である。
【図５】実験に使用した太陽電池モジュールの側面図である。
【図６】傾き角の変化に対する単位面積当たりの発電効率の変化を示すグラフである。
【図７】シミュレーションモデルを示す模式図である。
【図８】シミュレーションに使用した、色素が添加されたＴｉＯ２膜の吸収係数データを示す図面である。
【図９】シミュレーションに使用した、電解液部の吸収係数データを示す図面である。
【図１０】シミュレーションに使用した、透明導電膜の吸収係数データを示す図面である。
【図１１】色素増感型太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。
【図１２】アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。
【図１３】シミュレーションに使用した、アモルファスシリコンの屈折率データを示す図面である。
【図１４】シミュレーションに使用した、アモルファスシリコンの吸収係数データを示す図面である。
【図１５】本発明に係る太陽電池モジュールの他の実施形態を示す端面図である。
【図１６】シミュレーションモデルを示す模式図である。
【図１７】モジュール幅と光利用効率との関係を示すシミュレーション結果を示す図面である。
【図１８】シミュレーションの一条件における複数の太陽電池セルの配列状態を示す図面である。
【図１９】図１０に示した太陽電池モジュールにおける配線状態の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明に係る太陽電池モジュールの実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態の概略構成を示す端面図である。図１に示すように、太陽電池モジュール１は、太陽光１００から電気エネルギーを生成するものであり、セルユニット１０と、セルユニット１０を収容すると共に支持する収容ボックス３０とを備えている。
【００１８】
収容ボックス３０は、４つの側板部（側壁部）３１と、それらの側板部３１が設けられる底板部（ベース部）３２とを有する。本実施形態では、底板部３２の法線方向に平行に太陽光１００が太陽電池モジュール１に入射されるように太陽光１００に対して収容ボックス３０が配置されているものとする。図１では、４つの側板部３１のうち、底板部３２に直交しており互いに対向する一対の側板部３１を示している。他の２つの側板部３１は、互いに対向しており、図１に示した側板部３１に直交するように配置されている。底板部３２及び側板部３１は、一体に成型されたものとすることができる。底板部３２及び各側板部３１の内面は鏡面加工されていることが太陽光１００の利用効率の観点から好ましい。
【００１９】
図１に示すように、収容ボックス３０において底板部３２に対向する面側は開放されているとすることができる。しかしながら、収容ボックス３０の開放面は、太陽光１００に対して透光性を有するカバー部として、例えばガラス板を設けることができる。このような構成では、収容ボックス３０内のセルユニット１０の収容空間内に塵や埃などが入りにくくなるので好ましい。
【００２０】
セルユニット１０は、単独で動作可能であり太陽光１００を電気エネルギーに変換する太陽電池セル２０が複数枚重ねられて構成されている。各太陽電池セル２０は、平面視形状が略正方形の板状体である。太陽電池セル２０のセル幅Ｔは０．１ｍが例示され、厚さＴは０．０２ｍが例示される。太陽電池セル２０は、波長領域３００ｎｍ〜９００ｎｍに透過する波長領域を有する、すなわち、太陽光１００の一部を透過する性質を有するものである。具体的には、太陽電池セル２０は、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池である。太陽電池セル２０としての色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池は、従来のものを使用することができる。薄膜太陽電池としては、アモルファスシリコン太陽電池、有機薄膜太陽電池又はＧａ系やＣＺＴＳの太陽電池の薄膜のもの（例えば、可視光領域で透過率が５０％を超える領域を持つもの）が例示される。ここでは、太陽電池セル２０の平面視形状は略正方形としたがこれに限定されず、例えば長方形とすることもできる。
【００２１】
セルユニット１０は、少なくとも図１に示している一対の側板部３１及び底板部３２により支持固定されている。また、セルユニット１０は、太陽電池セル２０における太陽光１００が入射する面２０ａの法線方向に対して太陽光１００が所定の角度θで入射するように配置されている。すなわち、図１に示したように、底板部３２の法線方向に平行に太陽光１００が太陽電池モジュール１に入射するとした場合には、太陽光１００の入射方向と、面２０ａの法線方向とが角度θを有するように配置されており、セルユニット１０は、底板部３２に対して傾き角θを有することになる。複数の太陽電池セル２０は、隣接する太陽電池セル２０間において一部重ならない領域を有するように隣接する太陽電池セル２０間でずれて重なっている。例えば、図１に示すように、隣接する２つの太陽電池セル２０において図中の右側の太陽電池セル２０の右端部が左側の太陽電池セル２０の右端部より突出するように重ねられている。上記構成の太陽電池モジュール１では、角度θで傾けられた太陽電池セル２０が重ねられてセルユニット１０を構成していることになる。
【００２２】
上記角度θは、少なくとも一つの太陽電池セル２０の下側（底板部３２側）に他の太陽電池セルを設置できる角度以上必要である。具体的には、Ｔ／ｓｉｎθ＜Ｌｃｏｓθを満たす角度θである。角度θとしては、上記範囲を満たしうえで、使用する太陽電池セル２０の特性に応じて最適な角度を設定する。
【００２３】
隣接する太陽電池セル２０は、互いに接するように重ねられるが、それらの間に隙間ができた場合の空気層での反射を防止するため、例えば、屈折率調節剤を設けてもよいし、光学用接着剤で接着してもよい。また、各太陽電池セル２０には、太陽光１００を有効利用するために反射防止膜をその表面に設けてもよい。また、太陽電池モジュール１から生成された電気エネルギーを電流又は電圧として取り出す際に、複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差が生じる場合には、セルユニット１０を構成する複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差を解消する回路として、例えばバイパスダイオードや昇圧回路などを設けることもできる。
【００２４】
図２は、図１に示した太陽電池モジュールで好適に用いられる太陽電池セルの一例の断面図である。図２に示した太陽電池セル２０は、平面視形状が略正方形状の板状体としての色素増感型太陽電池である。太陽電池セル２０は、ガラス板２１上に、透明導電膜２２、電解液部２３、色素が添加されたＴｉＯ２膜２４、透明導電膜２５及びガラス板２６が順に積層されて構成されている。この構成では、ＴｉＯ２膜２４の部分が光電変換層、換言すれば、発電領域である。透明電極膜２２，２５間に設けられた電解液部２３およびＴｉＯ２膜２４の周囲には、封止用の樹脂２７が設けられている。
【００２５】
次に、図１に示した太陽電池モジュールの作用効果について、図３及び図４を参照して従来のものと比較しながら説明する。図３は、太陽光が太陽電池セルに垂直入射する場合の模式図である。図４は、本実施形態における入射光としての太陽光とセルユニットとの関係を示す図面である。
【００２６】
色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池では、太陽光１００が有する波長領域に対して吸収の低い波長領域を有する。従って、太陽電池セル２０に入射した太陽光１００のうち、太陽電池セル２０内を伝搬する間に吸収されなかったものは、太陽電池セル２０を透過することになる。
【００２７】
従来、太陽電池セル（太陽電池）１０の配置方法としては、図３に示したように、太陽光１００が太陽電池セル２０の面２０ａに対して垂直入射するように配置することが一般的であった。この場合、太陽光１００が太陽電池セル２０内を通過する際の光路長は実質的に太陽電池セル２０の厚さＴになる。
【００２８】
これに対して、本実施形態では、図４に示すように、太陽電池セル２０が、太陽電池モジュール１に入射してくる太陽光１００に対して傾いているので、図３に示したように太陽電池セル２０に対して太陽光１００が垂直入射する場合よりも太陽電池セル２０における太陽光１００の光路長が長くなる。その結果、太陽電池セル２０における単位面積当たりの発電効率が高くなる。また、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池である太陽電池セル２０では、太陽光１００の一部が透過することになるが、透過した太陽光１００は、セルユニット１０の他の太陽電池セル２０（図１及び図４の下側の太陽電池セル２０）に入射するため、太陽光１００を有効利用できる。
【００２９】
また、複数枚の太陽電池セル２０からなるセルユニット１０では、図１及び図４に示したように太陽電池セル２０をずらしながら重ねているため、太陽光１００の太陽電池モジュール１への入射方向に直交する面へのセルユニット１０の射影面積を確保できる。その結果、太陽電池モジュール１の発電効率を向上させることができる。
【００３０】
更に、前述したように太陽電池セル２０としては、従来の色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池を使用できるので、太陽電池セル２０の作製も容易であり、結果として、太陽電池モジュール１の作製も容易となっている。また、太陽電池セル２０を太陽光１００の入射方向に対して傾斜させることで発電効率の向上を図っているので、太陽電池セル２０自体の耐久性を維持しながら発電効率の向上を図ることができる。
【００３１】
また、図３に示したような従来の配置では、厚さＴまたは太陽電池セル２０内における光電変換層を厚くすることで吸収の増大を図ることが考えられるが、この場合、吸収光−電流の変換効率が低下することになる。
【００３２】
これに対して、本実施形態では、太陽電池セル２０の厚さＴや太陽電池セル２０内の光電変換層の厚さは従来と同様とすることができるので、各太陽電池セル２０における吸収光−電流の変換効率の低下はない。その結果、前述したように発電効率を容易に向上させることが可能である。
【００３３】
更にまた、収容ボックス３０内の内面を鏡面とすることで、側壁部３１や底板部３２の内面に到達した太陽光１００を太陽電池セル２０に再入射させることができる。これにより、太陽電池セル２０での光吸収量が上昇するので、太陽電池モジュール１全体の発電効率の向上を更に図ることができる。また、前述したように、反射防止膜や、屈折率調整剤などを用いて、適切な光学特性を付与して光路の調整を行うことで、太陽電池セル２０における光吸収量を上昇させることができる。そのため、更に太陽電池モジュール１全体の発電効率を上昇させることが可能である。
【００３４】
次に、実験結果及びシミュレーション結果を参照して太陽電池モジュール１の作用効果について具体的に説明する。
【００３５】
図５は、実験に使用した太陽電池モジュールの側面図である。図５に示した太陽電池モジュール２では、底板部３２としての鏡４２上に、一対の側板部３１としての鏡４１，４１を鏡４２に直交させて所定の間隔をあけて配置し、鏡４１，４１を固定部材４３により鏡４２に固定したものを支持体４０として用いた。なお、鏡４１，４２，４３はその鏡面が内側になるように配置している。そして、一対の鏡４１,４１間に、太陽電池セル２０を配置して太陽電池モジュール２とした。
【００３６】
使用する太陽電池セル２０は、図２に示した構成のものであり、セル幅Ｌが約０．１ｍで厚さＴが約２．２ｍｍである色素増感型太陽電池とした。色素としては赤色色素を用いた。この太陽電池セル２０は、波長７５０ｎｍ〜８００ｎｍでは７５％以上の光を透過した。
【００３７】
実験では、太陽光１００に相当する擬似太陽光１０１として、光源としての株式会社ワコム電装製ＷＸＳ−１５５５−Ｌ２から出力される光を鏡４２の法線方向に平行に入射させ、使用する太陽電池セル２０の枚数を１枚の場合と２枚の場合とにおいて、鏡４２に対する太陽電池セル２０の傾き角θを変化させながら各太陽電池セル２０からの短絡電流を測定した。なお、太陽電池セル２０が２枚の場合が、図１におけるセルユニット１０に対応する。
【００３８】
図６は、傾き角の変化に対する単位面積当たりの発電効率の変化を示すグラフである。図６の横軸は、太陽電池セル２０の鏡４２に対する傾き角θを示している。図６の縦軸は、単位面積当たりの短絡電流の増加率を示している。セルユニット１０の場合の単位面積当たりの短絡電流は、各太陽電池セル２０から出力される短絡電流ＩＳＣの総和をセルユニット１０の鏡４２への射影面積で除した値とした。一枚の太陽電池セル２０を使用した場合の単位面積当たりの短絡電流は、その太陽電池セル２０から出力される短絡電流ＩＳＣを太陽電池セル２０の鏡４２への射影面積で除した値とした。また、縦軸の増加率は、太陽電池セル２０へ擬似太陽光１０１を垂直入射させた場合を増加率１００％とした相対値である。
【００３９】
図６に示すように、太陽電池セル２０が１枚の場合でも例えば角度θが４０°以上において、垂直入射の場合より、単位面積当たりの短絡電流が増加していることがわかる。更に、太陽電池セル２０を２枚重ねてセルユニット１０することで、より大きい電流を取り出すことができる。よって、単位面積当たりの発電効率の向上が更に図れる。
【００４０】
次に、図６に示した実験に対応するシミュレーション結果について説明する。
【００４１】
先ず、シミュレーション条件について説明する。図７は、シミュレーションモデルを示す模式図である。図６に示した支持体４０（又は図１の収容ボックス３０）に対応するものとして図７に示すように、一辺が開放された長方形状の支持体モデル５０を想定し、開放側に対向する辺５２上であって一対の辺５１，５１間にセルユニット１０を辺５２の法線方向に対して角度θ傾けて配置した場合を想定した。また、太陽電池セル２０としては、図２に示した構成の色素増感型太陽電池において、樹脂２７を設けていないものとした。太陽電池セル２０としての色素増感型太陽電池において色素として赤色色素を採用した。
【００４２】
シミュレーションで採用した太陽電池セル２０では、ガラス板２１、透明導電膜２２、電解液部２３、ＴｉＯ２膜２４、透明導電膜２５、ガラス板２６の厚さｔ１,ｔ２,ｔ３,ｔ４,ｔ５,ｔ６は次のとおりである。
・ガラス板２１の厚さ：ｔ１＝１．０ｍｍ
・透明導電膜２２の厚さ：ｔ２＝０．７５μｍ
・電解液部２３の厚さ：ｔ３＝４５μｍ
・ＴｉＯ２膜２４の厚さ：ｔ４＝５μｍ
・透明導電膜２５の厚さ：ｔ５＝０．７５μｍ
・ガラス板２６の厚さ：ｔ６＝１．０ｍｍ
【００４３】
また、シミュレーションでは、ガラス板２１，２６の屈折率を１．５、透明導電膜２２，２５の屈折率を１．９１、電解液部２３の屈折率を１．５、ＴｉＯ２膜２４の屈折率を２．０とした。更に、ＴｉＯ２膜２４における吸収係数は、図８に示した吸収係数のデータを採用した。図８において横軸は波長を示し、縦軸は吸収係数を示している。同様に、電解液部２３及び透明導電膜２２，２５の吸収係数は、それぞれ図９及び図１０に示した吸収係数のデータを採用した。図９及び図１０における横軸及び縦軸は図８の場合と同様である。なお、ガラス板２１，２６については、後述するシミュレーションで使用した波長領域では吸収はないと仮定した。
【００４４】
シミュレーションでは、太陽光１００として、波長範囲４５０〜８００ｎｍの光１０２を想定し、初期条件として光１０２を辺５２の法線方向に入射させ、一枚の太陽電池セル２０、又は複数の太陽電池セル２０からなるセルユニット１０の傾き角θを変化させて、ＴｉＯ２膜２４において吸収された量により光利用効率を評価した。本シミュレーションでは、光利用効率が高いほど、発電効率が高いとしている。シミュレーションでは、光線追跡法を採用し、辺５１，５２の位置での境界条件として反射率１００％を仮定した。
【００４５】
図１１は、色素増感型太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。図中の横軸は傾き角θを示しており、縦軸は、θ＝０の場合を基準として評価した光利用効率を示している。
【００４６】
図１１に示すように、太陽電池セル２０が１枚以上の場合であっても傾き角θが３０°より大きい場合には、光利用効率が向上している。更に、太陽電池セル２０を２枚以上とした場合、すなわち、セルユニット１０を構成した場合、傾き角θが１０°以上により光利用効率が向上している。このシミュレーション結果に基づくと、太陽電池セル２０が２枚〜３枚からなるセルユニット１０では、傾き角θとしては、０°より大きく９０°未満が好ましく、更に、１０°以上８０°以下が好ましく、更には、３０°以上８０°以下が好ましいことがわかる。また、太陽電池セル２０が１０枚からなるセルユニット１０の場合には、傾き角θは、０°より大きく９０°未満が好ましく、１０°以上８０°以下が更に好ましく、３０°以上７０°以下が好ましいことがわかる。
【００４７】
図１２は、アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セルとした場合のシミュレーション結果を示す図面である。シミュレーションモデル及びシミュレーション方法は、図１１に示した色素増感型太陽電池を太陽電池セル２０として実施した場合のシミュレーションと同様である。アモルファスシリコン太陽電池としての太陽電池セル２０のモデルは、図２に示した構成においてＴｉＯ２膜２４と電解液部２３とからなる部分をアモルファスシリコン層としたものを採用した。アモルファスシリコン層の厚さ、すなわち、透明導電膜２２,２５間の距離は１μｍである。また、アモルファスシリコン層の屈折率及び吸収係数としては、それぞれ図１３及び図１４に示したデータを採用した。図１３,図１４の横軸は波長を示している。また、図１３及び図１４の縦軸はそれぞれ屈折率及び吸収係数を示している。太陽電池セル２０のモデルは、上記アモルファスシリコン層以外は、色素増感型太陽電池を太陽電池セル２０とした場合のシミュレーション用のモデルと同様である。
【００４８】
図１２に示すように、太陽電池セル２０の枚数が１枚以上３枚以下では、傾き角θが５０°より大きく７０°より小さい範囲で光利用効率の向上が図れている。なお、アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セル２０とする場合には、１０枚では利用効率が低下することがわかる。よって、アモルファスシリコン太陽電池を太陽電池セル２０とする場合には、セルユニット１０を２枚又は３枚からなる太陽電池セル２０から構成し、傾き角θとして、５０°より大きく７０°より小さく設定することが好ましく、傾き角θとしては、約６０°が更に好ましい。
【００４９】
上記のように、使用する太陽電池セル２０の種類及び構成並びにセルユニット１０を構成する太陽電池セル２０の枚数などにより、光利用効率、すなわち、発電効率が変化することになるため、それらの諸条件に応じて最適な角度及び枚数などを適宜設定することにより、発電効率の向上を図ることができる。諸条件の設定方法としては、例えば、シミュレーションにより設定することができる。
【００５０】
（第２の実施形態）
図１５は、本発明に係る太陽電池モジュールの他の実施形態を示す端面図である。図１５に示した太陽電池モジュール３では、収容ボックス３０を構成する一対の側板部３１間に、傾き角θで傾けたセルユニット１０を複数配置している点で、第１の実施形態の場合と相違する。この相違点以外の構成は、第１の実施形態の場合と同様であるため、相違点を中心にして太陽電池モジュール１について説明する。
【００５１】
説明の便宜のため、以下ではセルユニット１０をそれぞれセルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５と称す。図１５では、５個のセルユニット１０,１０,１０,１０,１０を配置している場合を例示しているが、セルユニット１０の数は５個に限定されない。
【００５２】
各セルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５は、第１の実施形態と同様に複数の太陽電池セル２０からなる。図１５に示した構成では、各セルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５は、５枚の太陽電池セル２０が重ねられて構成されており、隣接する２つの太陽電池セル２０は一部が重ならないようにずれている。
【００５３】
５個のセルユニット１０１,１０２,１０３,１０４,１０５は、互いに離間して配置されている。例えば、セルユニット１０２,１０３やセルユニット１０４,１０５のように隣接する２つのセルユニットの間隔ｗは、隣接するセルユニットが底板部３２の法線方向に対して重なりが生じる長さである。このように配置とすることで、太陽電池モジュール３内に含まれる全太陽電池セル２０を使用して一つのセルユニットを構成する場合よりも、発電効率を高めることができる。これは、射影面積を向上させることができるためと考えられる。
【００５４】
シミュレーション結果を参照して具体的に説明する。図１６は、シミュレーションモデルを示す模式図である。シミュレーションでは、図７に示したシミュレーションモデルと同様に、一辺が開放された長方形状の支持体モデル５０における辺５２上に１０枚の太陽電池セル２０からなるセルユニット１０を３つ配置した。太陽電池セル２０は、図１１に示したシミュレーション結果を得るときに実施したシミュレーションで使用した場合と同様の構成である。各セルユニット１０と辺５２とのなす角度θは４０°とした。３つのセルユニット１０は、両側のセルユニット１０の一端が対向する辺５１,５１のそれぞれに接するように配置し、その中間に残りのセルユニット１０を配置した。各辺５１,５１間の距離をモジュール幅Ｗとして、モジュール幅Ｗを変化させることでそれに応じて隣接するセルユニット１０間の間隔ｗを変化させた。シミュレーションは、図１１に示したシミュレーション結果を得るときに実施したシミュレーションの場合と同様に光線追跡法による方法を採用した。また、各辺５１,５２は鏡面であると仮定して反射率１００％とした。
【００５５】
図１７はモジュール幅と光利用効率との関係を示すシミュレーション結果を示す図面である。図１２の横軸はモジュール幅を示している。また、図１７の縦軸は光利用効率を示している。縦軸に記載の光利用効率は、モジュール幅をＷとしたときＷがＷ１（＝１７０ｍｍ）の場合の光利用効率を基準とした相対的な光利用効率である。
【００５６】
なお、モジュール幅がＷ１の場合は、図１８に示すように、３つのセルユニット１０が重なっている場合、すなわち、３０枚の太陽電池セル２０から一つのセルユニット１０が構成されている場合に対応する。また、図１６中のモジュール幅Ｗが、Ｗ２（＝３２０ｍｍ）の場合は、図１６に示した場合のように、３つのセルユニット１０のうち隣接する２つのセルユニット１０において、左側のセルユニット１０の右端と、右側のセルユニット１０の左端とが辺５２の法線方向において重なっている場合を示している。
【００５７】
図１７に示したシミュレーション結果より、セルユニット１０の間の間隔ｗが０の場合からセルユニット１０の間隔ｗが広がるにつれて光利用効率が向上する傾向にあることがわかる。しかしながら、モジュール幅ＷがＷ２を超えた場合、すなわち、隣接する２つのセルユニット１０の間で辺５２の法線方向の重なりがなくなると、光利用効率が低下することがわかる。
【００５８】
したがって、複数のセルユニット１０を支持体で支持する場合には、隣接するセルユニット１０間において底板部３２の法線方向に対して重なりが生じるように配置することが、発電効率の観点から好ましい。
【００５９】
図１９は、図１５に示した太陽電池モジュール１における配線状態の一例を示す模式図である。図１９に示すように、太陽電池モジュール１では、各セルユニット１０１〜１０５における太陽電池セル２０を直列に接続した後、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０を通してＤＣ出力又はパワーコンディショナーに接続する。ＤＣ−ＤＣコンバータにより、例えば昇圧を行うことでセルユニット１０間の出力調整が可能となっている。なお、各セルユニット１０１〜１０５に間において複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差が生じない場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータは必ずしも設けなくてもよい。また、各セルユニット１０１〜１０５を構成する複数の太陽電池セル２０から電気エネルギーを電流又は電圧として取り出す際に、複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差が生じる場合には、第１の実施形態の場合と同様に、各セルユニット１０１〜１０５をそれぞれ構成する複数の太陽電池セル２０間の電流・電圧差を解消する回路として、例えばバイパスダイオードや昇圧回路などを設けることもできる。
【００６０】
以上、本発明に係る太陽電池モジュールの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、セルユニット１０を構成する太陽電池セル２０は、すべて同じものを使用したが、太陽電池セル２０はセルユニット１０内で異なっていてもよい。
【００６１】
同様に、第２の実施形態で説明した場合のように、支持体としての収容ボックス３０内に複数のセルユニット１０を配置する場合には、異なるセルユニット１０を構成する太陽電池セル２０は異なっていてもよい。例えば、セルユニット１０１と、セルユニット１０２とを利用して説明すると、セルユニット１０１を構成する太陽電池セル２０と、セルユニット１０２を構成する太陽電池セル２０とは異なる特性を有するものを使用することもできる。
【００６２】
更に、第２の実施形態で説明した場合のように、支持体としての収容ボックス３０内に複数のセルユニット１０を配置する場合には、異なるセルユニット１０の傾き角θは、同じでなくてもよい。例えば、図１５に示したように、５つのセルユニット１０１〜１０５が収容ボックス（支持体）３０内に配置されるとすると、セルユニット１０１,１０３,１０５が底板部３２に対して第１の傾き角θ１で傾けられており、他のセルユニット１０２,１０４が底板部３２に対して第２の傾き角θ２で傾けられているとすることもできる。
【００６３】
また、支持体としての収容ボックス３０の内面は鏡面加工されているとしたが、必ずしも鏡面でなくてもよい。ただし、鏡面にすることで発電効率を更に高めることができることは前述したとおりである。また、上記実施形態では、収容ボックス３０の底板部３２の法線方向に沿って太陽光１００が入射するとしたため、面２０ａへの入射角に等しい角度だけ、セルユニット１０が底板部３２に対して傾いているとしたが、これに限定されない。
【符号の説明】
【００６４】
１,２,３…太陽電池モジュール、１０…セルユニット、２０…太陽電池セル、２０ａ…面（光が入射する面）、３０…収容ボックス（支持体）、３１…側板部（側壁部）、３２…底板部（ベース部）、４１…鏡（側壁部）、４２…鏡（ベース部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池セルが積層されてなるセルユニットと、
前記セルユニットを支持する支持体と、
を備え、
前記太陽電池セルは、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池であり、
前記支持体は、板状のベース部と、前記ベース部上に設けられており対向して配置された少なくも一対の側壁部側と、を有し、
前記セルユニットは、一対の前記側壁部間において、前記太陽電池セルへ光が入射する面の法線方向に対して前記光が斜めに入射するように傾けて配置されている、
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記セルユニットを複数有し、
複数の前記セルユニットが、一対の前記側壁部間に互いに離間して配置されている、
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項３】
複数の前記セルユニットは、前記ベース部の法線方向において互いに重なっていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
一対の前記側壁部において前記セルユニットが配置される側の面が鏡面であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１】
複数の太陽電池セルが積層されてなるセルユニットと、
前記セルユニットを支持する支持体と、
を備え、
前記太陽電池セルは、色素増感型太陽電池又は薄膜太陽電池であり、
前記支持体は、板状のベース部と、前記ベース部上に設けられており対向して配置された少なくも一対の側壁部側と、を有し、
前記セルユニットは、一対の前記側壁部間において、前記太陽電池セルへ光が入射する面の法線方向に対して前記光が斜めに入射するように傾けて配置されている、
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記セルユニットを複数有し、
複数の前記セルユニットが、一対の前記側壁部間に互いに離間して配置されている、
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項３】
複数の前記セルユニットは、前記ベース部の法線方向において互いに重なっていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
一対の前記側壁部において前記セルユニットが配置される側の面が鏡面であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−２５１４７８（Ｐ２０１０−２５１４７８Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９８３１２（Ｐ２００９−９８３１２）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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