JP3315575B2 - 太陽光エネルギー変換装置、建築物、及び光電変換素子の温度制御方法 - Google Patents

太陽光エネルギー変換装置、建築物、及び光電変換素子の温度制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽光エネルギー変
換装置に関し、特に非晶質半導体を光電変換素子に用い
てなる電力と熱を共に利用する太陽光エネルギー変換装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】地球環境問題が深刻化するなかで、太陽
光エネルギーは火力発電、原子力発電などの有害な副産
物を生成しないクリーンエネルギーとして近年、非常に
注目されるようになった。また限りある地球上の資源に
対し、枯渇することのない無限エネルギーとしても太陽
光エネルギーの有効活用が望まれている。
【０００３】また一方で既存の１元型エネルギーシステ
ムでは震災等の災害がおきた場合、エネルギー供給が断
絶したり、またその復旧に非常に時間がかかったりとい
った問題がある。太陽光エネルギーは晴れている地域で
あればエネルギーとしていつでも利用できることから、
分散型の独立エネルギー源としての利用価値が高い。
【０００４】これらのニーズから住宅向けの屋根一体型
太陽光エネルギー変換装置の開発が促進され、現在はそ
の実用化が急速に進んでいる。
【０００５】太陽光エネルギー変換装置には大きく分類
すると、熱を利用するものと光電変換素子からの電力を
利用するものがあり、前者はＯＭソーラー等のパッシブ
ソーラーシステムや温水を提供する太陽熱温水器として
既に実用化されている。後者は、現在開発段階にあり、
いろいろな観点から各社が開発を進めている。
【０００６】 前記、光電変換素子には、結晶型と非晶
質型が存在し、それぞれ１長１短の特徴を有している。
結晶型の特徴は、変換効率が高く劣化がないことにあ
る。しかしながら、結晶シリコンは光吸収係数が小さい
ため、入射太陽光を吸収するためには少なくとも５０μ
ｍの厚さが必要であり、材料コストの低減が難しい。ま
た、結晶型は、熱には比較的弱く、最低でも６０℃前後
の環境下で使用しなければ変換効率の低下が著しく、ま
た、これを越えた温度では素子が破壊されることがあ
る。非晶質型の特徴は、変換効率が結晶型に劣る反面、
光吸収係数が、結晶型より優れており、入射太陽光を吸
収するには、高々１μｍの膜厚があればよい点にあり、
温度特性も結晶型に比べて優れているため、８０℃以上
という温度での使用においても、変換効率がさほど劣化
せず、結晶型のように破壊を起こすことはほとんどな
い。そのため、熱電気共に利用する太陽光エネルギー変
換装置とは相性が良いといわれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非晶質
半導体を用いた光電変換素子の最大の問題点は光照射に
より経時的に変換効率が低下することである。これは、
光照射により非晶質半導体の膜質が低下し、キヤリアの
走行性が悪くなることにより引き起こされるものであ
り、結晶型には見られない非晶質型特有の現象である。
そのため、電力用途に用いる場合、信頼性が劣り実用化
の障害となっている。
【０００８】非晶質半導体の光照射劣化の改善は現在鋭
意研究がなされており、膜質を改善することにより光照
射劣化を防止する検討がなされる一方、セル構造の改良
による光照射劣化の低減も検討されている。後者の具体
例としては、異なるバンドギャップを有する光起電力素
子を積層させ、光発電素子に効率良く光を吸収させるス
タックセル構造が上げられ、光照射によるセル特性の劣
化が少なくなることが確認されている。
【０００９】また、特公平７ー５８７９９号公報等にみ
られる、光電変換素子を断熱材で囲み、太陽電池の使用
環境温度を外気温より高くすることで光電変換素子の光
照射劣化が抑制されることが知られている。
【００１０】しかしながら、上述した光照射劣化のメカ
ニズムの解明及び光照射劣化防止の検討が続けられてい
るにも関わらず光照射劣化の問題は完全には解決できて
おらず、さらに強力な抑制手段が求められている。
【００１１】本発明の目的は、上述した問題点の改善を
システム設計側から行うものであり、実用化に適した高
コストパフォーマンスを有する太陽光エネルギー変換装
置を提供し、該装置を備えた建築物を提供することであ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため、特公平７ー５８７９９号公報に上げら
れる光電変換素子を保温することで変換効率の劣化を抑
制する技術について更に研究を重ね、以下の実験結果
（１）〜（３）を得た。
【００１３】（１）光電変換素子の温度をより長時間よ
り高い温度に維持することが変換効率の劣化の抑制に対
してより有効であること。
【００１４】（２）保温材だけで長時間外気温より高い
温度を維持しようとすると、保温材のコストが大幅に高
くつくこと。
【００１５】（３）夜間において熱輻射が期待できる設
置場所では保温材を用いた光電変換モジュールは逆に熱
輻射を受けることができず温度が低下すること。
【００１６】上記、実験結果について補足する。
【００１７】（１）光照射劣化の温度依存性を検討した
実験の結果を図１０に示す。図中、実線、破線、一点鎖
線、二点鎖線は、各温度に維持した時の、最初の変換効
率を１とした場合の各時間における相対変換効率を示し
ている。これによれば、室温で十分カバーできる気温に
おいても明らかに効果が認められ、以上の結果からあき
らかに保温温度が高い程、また保温時間の長い程、変換
効率の劣化が少ないことが観測される。
【００１８】（２）表１に、断熱材（５０ｍｍポリスチ
レン）により保温構造にした太陽光エネルギー変換装置
と、断熱材を用いない太陽光エネルギー変換装置の１日
における温度変化を示す。これによれば、断熱材を用い
た変換装置においても、夜明けにおいては、その温度を
保温する効果がほとんどないことが観測できる。これ
は、変換装置自体の熱容量が非常に小さいためであり、
日中の温度を維持し、明らかな温度差を設けるには、か
なり巨大な熱容量を有するものを内部に搭載するか、著
しく大量の保温材が必要なことがわかる。
【００１９】
【表１】
【００２０】（３）表１では、更に興味深い結果を生じ
ている。それは、夜明け前や深夜においては、断熱材を
用いた変換装置の方が温度が低いのである。これは、下
方に熱容量の大きい地面が存在するためである。すなわ
ち、夜間においては、地面もまた放熱をしているわけで
あり、その放熱を断熱材で遮断してしまうため、温度が
低下したのである。すなわち、設置する場所によって
は、単に断熱構造とする方が温度的には逆に不利になる
場合があることが分かった。
【００２１】本発明者等は、これらの実験結果から、住
宅の特性を生かして光電変換素子の温度を制御すること
によりコストパフォーマンスの高い熱電気利用の太陽光
エネルギー変換装置を形成できるとの知見を得た。
【００２２】 即ち請求項１〜３に記載された発明は、
非晶質光電変換素子と該光電変換素子を格納する構造材
とを有し、該構造材が保温機能、内部に空気を流通させ
得る空間、及び内部と熱容量の大きい空間との熱的結合
手段を有し、該熱的結合手段が、外気又は熱源において
加熱された空気のいずれかを切り換え可能に構造材内部
に流通させる手段である太陽光エネルギー変換装置であ
って、上記熱的結合手段が、室外の空気と室内の空気を
切り換えて上記構造材内部に流通させる手段であり、室
外の温度を感知する温度センサーと、室内の温度を感知
する温度センサーとを有し、室外の空気と室内の空気の
切り換えが、上記光電変換素子の温度、室外の温度、室
内の温度、日射量に基づいて、夜間は室内の空気が上記
構造材内部に流通するように行われることを特徴とする
太陽光エネルギー変換装置である。
【００２３】 また請求項４〜７に記載された発明は、
上記太陽光エネルギー変換装置を備えた建築物であり、
空気の熱源を備えたことを特徴とする。
【００２４】 さらに請求項８に記載された発明は、非
晶質光電変換素子と該光電変換素子を格納する構造材と
を有し、該構造材が保温機能、内部に空気を流通させ得
る空間、及び内部と熱容量の大きい空間との熱的結合手
段を有し、該熱的結合手段が、外気又は熱源において加
熱された空気のいずれかを切り換え可能に構造材内部に
流通させる手段である太陽光エネルギー変換装置におけ
る光電変換素子の温度制御方法であって、日射量に応じ
て、外気或いは熱源において加熱された空気のいずれか
を、上記熱的結合手段によって切り換えて上記構造材内
部に流通させ、日射量の多い時は外気を、夜間は熱源に
おいて加熱された空気を構造材内部に流通させることを
特徴とする。また、請求項９、１０は、請求項１の太陽
光エネルギー変換装置における光電変換素子の温度制御
方法であって、上記光電変換素子の温度、室外の温度、
室内の温度、日射量に基づいて、室外の空気と室内の空
気とを上記熱的結合手段によって切り換えて上記構造材
内部に流通させ、夜間は室内の空気を上記構造材内部に
流通させることを特徴とする。
【００２５】尚、通常太陽光エネルギー変換装置には複
数個の光電変換素子が用いられるが、本発明の説明にお
いては、便宜上「光電変換素子」に複数個の光電変換素
子をも含めるものとする。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明の具体的手段については、
下記（ａ）及び（ｂ）が基本となる。
【００２７】（ａ）屋根材として使用する太陽光エネル
ギー変換装置を外気に対して熱抵抗を高くし、従来から
使用されてきた屋根材と室内の間に設置されていた断熱
材の間に挟みこむことで保温構造を作り出す。即ち、従
来から屋根材の裏面には断熱材が使用されており、光電
変換素子の光入射面の熱抵抗を上げるだけで容易に断熱
性を付与できる。これによって従来保温構造を形成する
上で問題であった断熱材のコストをシステム全体として
低減することができる効果がある。
【００２８】（ｂ）上記太陽光エネルギー変換装置の構
造材に熱容量の大きな空間（主に室内）と連結する開閉
可能な孔を設け、該装置の温度の低下する夜間、開状態
とすることで暖かい空間と熱結合を行い、光電変換素子
の温度の低下を防ぐ。即ち、住宅の屋根材として使用さ
れた太陽光エネルギー変換装置は、その下方により熱容
量が大きく夜間暖かい室内を有しており、断熱材がない
場合より断熱材がある場合の方がかえって温度が低下し
光照射劣化が促進される前記実験結果（３）の場合に該
当する。本発明は、本問題を解消し夜間室内と熱結合す
る手段を設けることでより光電変換素子の温度を高く維
持し、その結果、光照射劣化を抑制する効果を有するも
のである。
【００２９】次に本発明を具体的な実施形態を示して説
明する。
【００３０】先ず、本発明第一の実施形態として、通常
の屋根材に適用した最も基本的な構成について説明す
る。尚、本例では設置対象を屋根にしたが、これが壁に
ついても同様に行えることは述べるまでもない。
【００３１】本実施形態の概略全体図を図１、屋根の層
構造の詳細を図２に示す。
【００３２】本発明における太陽光エネルギー変換装置
を屋根に配した住宅の構成は、外気の取り入れ口１０
１、室内からの空気取り入れ口１０２、空気流通路１０
３、前記空気流通路に流す空気を選択する弁１０４、空
気の対流を形成するファン１０５、光電変換素子１０
６、空気流通路１０３からの空気取り出し口１０７、外
気への断熱を行うためのガラス板１０８、外気への空気
排出口１０９、室内への空気吹き出し口１１０、空気排
出口を選択する弁１１１から構成される。本実施形態に
おいて、太陽光エネルギー変換装置は、上記ファン１０
５を除く１０１〜１０８の部材で構成される領域であ
る。
【００３３】図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面図であ
り、枠材２０１、断熱材２０２、枠材２０３、防水シー
ト２０４、空気流通路１０３、光電変換素子１０６、断
熱空気層２０７、ガラス板１０８から構成される。尚、
参考までに従来からの金属屋根の構造をＢ−Ｂ’断面に
おいて示す。ここで、２０９はガルバリウム鋼板等で作
成される従来からの金属屋根であり、２１０は、設置の
際に設けられる隙間である。
【００３４】図３は、本発明における夏の日射量の多い
時の空気流通経路を示したものであり、図３（ａ）は昼
間、（ｂ）は夜間を示す。昼間、軒先に設けた外気取り
入れ口１０１より侵入した外気は防水シート２０４と光
電変換素子１０６の間に形成された空気流通路１０３を
棟部に向けて流れる。その間、日照により昇温している
光電変換素子１０６を冷却して、ファン１０５を通り、
空気排出口１０９から排気される。このように作動させ
ることで、日中の残暑から光電変換素子の温度上昇に伴
う変換効率の低下を防ぐことができ、屋根の下を流れる
空気層流は屋根材の熱を室内と切り離す断熱材の役目を
はたす。
【００３５】一方、夏の日射量の少ない時、例えば夜
は、弁１０４を室内側に切り替え、空気取り入れ口１０
２から空気流通路１０３に室内の空気を流入させること
で、光電変換素子１０６の放射冷却を防ぐと共に、室内
にこもる熱気を外部に排出する。
【００３６】図４は、本発明による冬の日射量の多い時
の空気の流通経路であり、図４（ａ）は昼間、（ｂ）は
夜間を示す。昼間、軒先に設けた外気取り入れ口１０１
より侵入した外気は防水シート２０４と光電変換素子１
０６の間に形成された空気流通路１０３をゆっくり棟部
に向けて流れる。その間、日照により昇温している光電
変換素子を冷却し、空気自体は熱を受けて昇温する。暖
められた空気はファン１０５により室内への空気吹き出
し口１１０を経て住宅屋内に引き込まれ、屋内の暖房に
利用できる。
【００３７】尚、屋内の温度調整は、弁１１１の開度を
コントロールすることで行うことができる。
【００３８】一方、冬の日射量の少ない時、例えば夜間
においては、弁１０４を室内の空気取り入れ口１０２側
に切り替え、弁１１１を室内側に完全に切り替えて吹き
出し口１１０から排出される温風を室内循環させること
で、室内の暖かい空気を光電変換素子１０６の保温に利
用することができ、室内でかたまっていた暖気を還流さ
せることで、暖房を有効に利用することができる。
【００３９】次に本発明第二の実施形態として蓄熱槽を
有した住宅について述べる。本実施形態はパッシブソー
ラーシステム住宅へ適用した例である。
【００４０】本実施形態の概略全体図を図５、集熱パネ
ルの詳細図を図６に示す。
【００４１】 本実施形態においては太陽熱集熱部とし
て屋根材５０１と断熱材２０２に挟まれた空気流通路１
０３及び太陽光エネルギー変換装置である集熱パネル５
０２内の空間を確保しており、その他、熱媒である空気
の取り入れ口として軒先に外気取り入れ口１０１、温風
を住宅屋内に引き込むためのダクト５０６及びファン１
０５、更に畜熱するためのコンクリート５０８、室内に
温風を取り入れるための吹き出し口１１０、集熱パネル
５０２内に取り込む空気を選択する弁１０４より構成さ
れている。
【００４２】 図６は非晶質光電変換素子１０６を組み
込んだ集熱パネル５０２の斜視図（ａ）とその断面図
（ｂ）である。本集熱パネル５０２の外枠６０１には外
気を取り入れるための外気取り入れ口１０１’と室内か
らの空気の取り入れ口１０２、及び空気の取り出し口１
０７が設けられている。外枠６０１の一面は窓６０４に
なっており、太陽光６０５が入射できる様になってい
る。光電変換素子１０６は入射光に晒され、外枠内の空
間を２分割するように取りつけられている。光電変換素
子１０６は太陽光６０５を吸収して発熱し、非受光面側
の空気に熱量を伝える。外気取り入れ口１０１’或いは
１０２より流入してきた空気は空気流通路１０３’にお
いて光電変換素子１０６により暖められて温風となり、
取り出し口１０７より流出する。ここで受光面側の空気
を熱媒として利用しないのは、前記窓材料だけでは十分
な保温機能が得られないため、受光面側の空気を熱抵抗
の高い断熱材として使用するためである。また、ここで
光電変換素子１０６の裏側の熱抵抗をさげるためにフィ
ン構造としたり、裏面を暗色系とすることが熱量の伝導
性をあげる意味で有効である。
【００４３】また光電変換素子１０６は当然ながら発電
しており、発生した電気は光電変換素子１０６の非受光
面側から取り出され、不図示のケーブルコネクター等に
より外部へ取り出す構成になっている。
【００４４】 図７は、冬の日射量の多い時の本パッシ
ブソーラーシステム住宅の空気の流通経路であり、図７
（ａ）は昼間、（ｂ）は夜間を示す。昼間、軒先に設け
た外気取り入れ口１０１より侵入した空気は屋根材５０
１と断熱材２０２の間に形成された空気流通路１０３を
ゆっくり棟部に向けて流れる。その間、日照により昇温
している屋根材５０１より熱を受けて昇温する。屋根材
５０１は一般的に日照により８０〜９０℃の温度になる
が、外気へ放熱するため、空気流通路１０３の空気はせ
いぜい６０℃ぐらいにしか昇温しない。また風がある日
は日照がどんなに強くても放熱が大きくなる事から、空
気流通路１０３の空気はほとんど昇温しないこともあ
る。そのため、空気流通路１０３の空気を更に昇温させ
るために、棟近くに集熱パネル５０２を配置している。
屋根直下の空気流通路１０３を上昇してきた空気は外気
取り入れ口１０１’を介してこの集熱パネル５０２内に
流入する。そして、屋根材５０１下の空気流通路１０３
及び集熱パネル５０２内の空気流通路１０３’で暖めら
れた８０℃以上の温風はファン１０５により住宅屋内に
引き込まれ、ダクト５０６を通り、床下のコンクリート
５０８を暖めて畜熱し、必要に応じて吹き出し口１１０
によりその熱を利用出来るようになっており、室内の暖
房に利用する。
【００４５】 尚、この際、集熱パネル５０２内の光電
変換素子は８０〜１００℃の高温になるが、前述したと
おり非晶質半導体は熱につよく、特性劣化も著しいもの
ではない。一方、日射量の少ない時、例えば、夜間にお
いては、弁１０４を室内の空気取り入れ口１０２側に切
り替え、吹き出し口１１０から排出される温風を循環さ
せることで、室内の暖房を実施するとともに、光電変換
素子１０６の放射冷却を防ぐことができる。
【００４６】 図８は、夏の日射量の多い時の本パッシ
ブソーラーシステム住宅の空気の流通の流れであり、図
８（ａ）は昼間、（ｂ）は夜間を示す。昼間、軒先に設
けた外気取り入れ口１０１より侵入した空気は屋根材５
０１と断熱材２０２の間に形成された空気流通路１０３
を棟部に向けて流れる。その間、日照により昇温してい
る屋根材５０１より熱を受けて昇温するが。ファンの回
転数を上げているため、空気流通路１０３の空気はほと
んど昇温しない。そして、屋根直下の空気流通路１０３
を上昇してきた空気は外気取り入れ口１０１’を介して
集熱パネル５０２内に流入し、光電変換素子１０６を冷
却し、ファン１０５を通って空気排出口１０９より外部
に排出される。
【００４７】このように作動させることで、日中の残暑
から光電変換素子１０６の温度上昇に伴う変換効率の低
下を防ぐことができ、屋根の下を流れる空気層流は屋根
材の熱を室内と切り離す断熱材の役目をはたす。
【００４８】一方、日射量の少ない時、例えば夜間は、
弁１０４を室内の空気取り入れ口１０２側に切り替え、
室内の空気を流入させることで、光電変換素子１０６の
放射冷却を防ぐと共に、室内にこもる熱気を外部に排出
する。
【００４９】なお、本実施形態においては、夜間の光電
変換素子１０６の保温のために居住空間を用いたが、た
とえば、夏の夜にクーラー等を使用する時は、空気取り
入れ口１０２とクーラーの室外機の出力をつなぎ、屋根
に設置した光電変換素子１０６を経由して屋外に排出す
ることも有効であり、この他に暖房機の廃熱や風呂の湯
等が利用できれば更に高い温度に保温が可能である。
【００５０】以上、代表的夏と冬の昼夜の空気経路の制
御方法を解説したが、これらの季節の気温や日射量は、
地方によって異なるため、例えば、気温が低ければ、夏
においても冬のモードで作動させればよく、更に言うな
ら、これらの制御を温度センサーによって自動化するこ
とも可能である。
【００５１】以下自動化した場合の代表的制御方法につ
いても解説する。
【００５２】 図５において、温度センサーにより室内
の気温、室外の気温を監視している。外気温は室外の温
度センサーで感知し、日射量を光電変換素子１０６の発
電量や電圧等で感知し、これによって前記、夏の昼夜モ
ード、更に冬の昼夜モードを切り替えを判断できる。ま
た、室温と光電変換素子１０６の温度を感知すること
で、夜間の熱媒の切り替えのタイミングを効率よく検知
することもできる。更に室内の暖房や冷房を使用した場
合等、特殊な事情を考慮した制御も可能である。
【００５３】 本実施形態では、光電変換素子１０６を
集熱パネル５０２内に空間を２分して配することで、従
来からの集熱パネルに外気との断熱材を追加する必要が
なく、また、夜間の光電変換素子の保温の熱源として、
蓄熱槽からの温風を利用できるため、光電変換素子を更
に高い温度で保持することができ、前記、第一の実施形
態に比べ光照射劣化の進行を更に抑制する効果がある。
【００５４】以下に各構成要素について補足する。
【００５５】（外枠６０１）上記６０１の構造材は断熱
性が高いものが好ましく、例えば、木、ポリスチレン、
珪化カルシウム、発泡スチロール、更にこれらの複合材
などが使用できる。本例では少なくとも２０ｍｍ厚以上
の構造材を用いることで、高い保温機能を有している。
【００５６】（窓６０４）上記窓の材料は光透過性と断
熱性が高いものが好ましく、例えば、ガラス、ポリカー
ボネート、ポリエチレンテレフタレート、アクリル、ナ
イロンなどが使用できる。また窓の取り付けは外枠６０
１にゴム、シリコン、アクリル、等の接着剤により取り
付け、エッチカバーを設けることもある。本例では３ｍ
ｍ厚のガラスを用い、更に、光電変換素子とガラスの間
に３０ｍｍ厚以上の断熱密封空間を設けている。
【００５７】（外気取り入れ口１０１、１０１’、空気
取り入れ口１０２)空気などが流入できる構造で、ゴミ
等の混入を防ぐためのフィルターや酸性の物質を含む空
気に対する化学フィルターを設けた場合もある。また、
外気取り入れ口１０１’及び空気取り入れ口１０２は近
接し、且つ空気の流入先を屋外/ 室内に切り替える弁１
０４を有している。また空気の流入量を調整できる様に
絞りを設けた場合もある。
【００５８】（取り出し口１０７)空気や水などを排出
できる構造であり、ゴミ等の混入を防ぐためのフィルタ
ーや酸性の物質を含む空気に対する化学フィルターを有
する場合もある。また空気の排出量を調整できる様に絞
りを設けた場合もある。
【００５９】（光電変換素子１０６)本発明においては
非晶質半導体を用いた光電変換素子が用いられる。図９
にその模式断面図を示す。基板９０１は非晶質シリコン
のような薄膜の光電変換素子の場合に半導体層を機械的
に支持する部材であり、また場合によっては電極として
用いられる。基板９０１は半導体層を成膜するときの加
熱温度に耐える耐熱性が要求されるが導電性のものでも
電気絶縁性のものでも良く、導電性の材料としては、具
体的にはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｂ，
Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｂ，Ｔｉ等の金属またはこれ
らの合金、例えば真鍮、ステンレス鋼等の薄板及びその
複合体やカーボンシート、亜鉛メッキ鋼板等が挙げら
れ、電気絶縁性材料としては、ポリエステル、ポリエチ
レン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポリ
プロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポ
リスチレン、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ等の耐
熱性合成樹脂のフィルムまたはシート又はこれらとガラ
スファイバー、カーボンファイバー、ホウ素ファイバ
ー、金属繊維等との複合体、及びこれらの金属の薄板、
樹脂シート等の表面に異種材質の金属薄膜及び／または
ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ等の絶縁性
薄膜をスパッタ法、蒸着法、鍍金法等により表面コーテ
ィング処理を行ったものおよび、ガラス、セラミックス
などが挙げられる。
【００６０】下部電極（裏面反射層）９０２は、半導体
層で発生した電力を取り出すための一方の電極であり、
半導体層に対してはオーミックコンタクトとなるような
仕事関数を持つことが要求される。材料としては、Ａ
ｌ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ，
Ｖ，Ｃｒ，Ｃｕ，ステンレス，真ちゅう，ニクロム，Ｓ
ｎＯ2 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＺｎＯ，ＩＴＯ等のいわゆる金属
単体又は合金、及び透明導電性酸化物（ＴＣＯ）等が用
いられる。下部電極９０２の表面は平滑であることが好
ましいが、光の乱反射を起こさせる場合にはテクスチャ
ー化してもよく裏面反射層とも呼ばれる。また、基板９
０１が導電性であるときは下部電極は特に設ける必要は
ない。
【００６１】下部電極の作製法はメッキ、蒸着、スパッ
タ等の方法を用いる。
【００６２】本発明に用いられる光電変換素子の半導体
層９０３としては、非晶質シリコン、非晶質シリコンゲ
ルマ、非晶質シリコンカーボン等が挙げられる。ｉ層を
構成する半導体材料としては、ａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−Ｓ
ｉ：Ｆ、ａ−Ｓｉ：Ｈ：Ｆ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ、ａ−Ｓ
ｉＧｅ：Ｆ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ：Ｆ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ、
ａ−ＳｉＣ：Ｆ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ：Ｆ等のいわゆる周期
律表第ＩＶ族及びＩＶ族合金系非晶質半導体が挙げられ
る。ｐ層またはｎ層を構成する半導体材料としては、前
述したｉ層を構成する半導体材料に価電子制御剤をドー
ピングすることによって得られる。また原料としては、
ｐ型半導体を得るための価電子制御剤としては周期律表
第ＩＩＩ族の元素を含む化合物が用いられる。第ＩＩＩ
族の元素としては、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎが挙げられ
る。ｎ型半導体を得るための価電子制御剤としては周期
律表第Ｖ族の元素を含む化合物が用いられる。第Ｖ族の
元素としては、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂが挙げられる。
【００６３】非晶質シリコン半導体層の成膜法として
は、蒸着法、スパッタ法、ＲＦプラズマＣＶＤ法、マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ法、熱ＣＶＤ法、ＬＰ
ＣＶＤ法等の公知の方法を所望に応じて用いる。工業的
に採用されている方法としては、原料ガスをＲＦプラズ
マで分解し、基板上に堆積させるＲＦプラズマＣＶＤ法
が好んで用いられる。さらに、ＲＦプラズマＣＶＤに於
いては、原料ガスの分解効率が約１０％と低いことや、
堆積速度が１Å／ｓｅｃから１０Å／ｓｅｃ程度と遅い
ことが問題であるがこの点を改良できる成膜法としてマ
イクロ波プラズマＣＶＤ法が注目されている。以上の成
膜を行うための反応装置としては、バッチ式の装置や連
続成膜装置などの公知の装置が所望に応じて使用でき
る。本発明の太陽電池に於いては、分光感度や電圧の向
上を目的として半導体接合を２以上積層するいわゆるタ
ンデムセルやトリプルセルにも用いることが出来る。
【００６４】上部電極（透明導電膜）９０４は、半導体
層で発生した起電力を取り出すための電極であり、前記
下部電極９０２と対をなすものである。上部電極９０４
は、光入射側に位置するため、透明であることが必要
で、透明導電膜とも呼ばれる。前記上部電極は、太陽や
白色蛍光灯等からの光を半導体層内に効率良く吸収させ
るために光の透過率が８５％以上であることが望まし
く、さらに、電気的には光で発生した電流を半導体層に
対し横方向に流れるようにするためシート抵抗値は１０
０Ω／□以下であることが望ましい。このような特性を
備えた材料としてＳｎＯ2 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＺｎＯ，Ｃｄ
Ｏ，ＣｄＳｎＯ4 ，ＩＴＯ（Ｉｎ2 Ｏ3 ＋ＳｎＯ2 ）な
どの金属酸化物が挙げられる。
【００６５】上部電極の作製方法としては、抵抗加熱蒸
着法、電子ビーム加熱蒸着法、スパッタリング法、スプ
レー法等を用いることができ所望に応じて適宜選択され
る。
【００６６】上記光電変換素子の発電のアクティブエリ
アを決定するためには公知のエッチング技術、例えば化
学エッチングや印刷エッチング、、電気化学エッチング
など所望の方法で上記上部電極９０４の一部をエッチン
グ除去し、９０５のエッチングラインを形成することが
できる。
【００６７】その後、集電電極９０６を金属や導電性ペ
ーストをスパッタ、蒸着、印刷、接着など方法により透
明導電膜上に形成する。更に、図示しないが、端子の取
り出し、配線などを行う。
【００６８】この他、非晶質型としては、例えばガラス
等を用いて基板側を光入射面としたものがある。
【００６９】（屋根材５０１）耐腐食、耐加工性のよい
金属材料として、ガルバリウム鋼板、亜鉛メッキ鋼板等
が用いられる、該金属基板ではローラーフォーマー等で
折り曲げて容易に使用できるが、塩化ビニル等のプラス
チック材料やセラミックで構成することもできる。
【００７０】（断熱材２０２）一般に屋根材と室の間に
挿入されるものは、グラスウール、発泡プラスチック等
がある。
【００７１】 （ダクト５０６） 集熱パネル５０２で昇温した空気を軒下の蓄熱槽に送る
管であり、内部は亜鉛メッキ鋼板で構成され、その周り
を断熱性の高い材料、例えば、ガラスウールや発泡プラ
スチック等で固め、室内への熱流出を防ぐ構造になって
いる。
【００７２】 （ファン１０５） 集熱パネル５０２内で昇温した空気を外部へ放出、又は
ダクト５０６を通して軒下の蓄熱槽に送る推力を与える
ものである。通常、メンテナンスの容易性からＡＣモー
ターが使用されるが、系統連係を行わないものについて
は、ＤＣモーターを使用する場合もある。
【００７３】 このファンの後部には空気の流通経路を
決める弁（不図示）が取り付けられ、集熱パネル５０２
内に設けられた弁１０４と合わせて、室内の空気の流通
をコントロールする。
【００７４】（蓄熱コンクリート５０８）昼間の間の熱
量を蓄え、夜間に排出する蓄熱槽を形成するもので、熱
容量の大きいものならなんでもよい。実際はコスト上の
問題から安価なコンクリートが使用されることが多い。
蓄熱部のコンクリートの形状は、ベタ式が多く使われる
が、表面形状等を変えることで、表面積を多くし熱吸収
発散性を高めることもできる。
【００７５】
【実施例】本発明による温度保温効果を確認するため
に、前記第一の実施形態を実施例１、第二の実施形態を
実施例２として京都府内に実験住宅として用意した。更
に、比較例として、地上に同じ性能を有する非晶質光電
変換素子をＥＶＡ等で封止したモジュールを設置し、各
装置における光電変換素子の温度を記録した。
【００７６】表２に夏、表３に冬のそれぞれの各時刻の
温度の移り変わりを示す。尚、実施例１、２においては
夏にクーラー等の冷房機器は使用しておらず、実施例１
においては冬に暖房器具を使用し、実施例２においては
冬に暖房器具を使用していない。各表において＊は昼モ
ードを示している。
【００７７】
【表２】
【００７８】
【表３】
【００７９】これら表から明らかなように、実施例にお
いて保温温度に優位性が認められた。
【００８０】
【発明の効果】本発明によれば、光電変換素子の温度を
夜間においても常に高く保持することができるため、光
照射による性能劣化、即ち光電変換効率の劣化を抑制す
ることができ、年間を通じた発電電力量を増加させる効
果がある。また、光電変換素子の断熱モジュールを形成
する際に従来から住宅用に使用されている断熱材を兼用
することができるため、コスト低減を行うことができ
る。
【００８１】また、夏冬夜昼において、適切な制御を行
うことで、住環境快適でありつつ、熱と電気を利用する
太陽光エネルギー変換装置のコストパフォーマンスを向
上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１の実施形態の概略全体図である。
【図２】本発明第１の実施形態の屋根の詳細断面図であ
る。
【図３】本発明第１の実施形態における夏の空気制御図
である。
【図４】本発明第１の実施形態における冬の空気制御図
である。
【図５】本発明第２の実施形態の概略全体図である。
【図６】本発明第２の実施形態に用いる集熱パネルの詳
細図である。
【図７】本発明第２の実施形態における冬の空気制御図
である。
【図８】本発明第２の実施形態における夏の空気制御図
である。
【図９】本発明に用いる非晶質光電変換素子の一例を示
す断面である。
【図１０】光電変換素子の光照射劣化の温度依存性を示
す図である。
【符号の説明】
１０１、１０１’ 外気取り入れ口 １０２ 空気取り入れ口 １０３、１０３’ 空気流通路 １０４ 弁 １０５ ファン １０６ 光電変換素子 １０７ 空気取り出し口 １０８ ガラス板 １０９ 空気排出口 １１０ 空気吹き出し口 １１１ 弁 ２０１、２０３ 枠材 ２０２ 断熱材 ２０４ 防水シート ２０７ 断熱空気層 ２０９ 金属屋根 ２１０ 隙間 ５０１ 屋根材 ５０２ 集熱パネル ５０６ ダクト ５０８ 蓄熱コンクリート ６０１ 外枠 ６０４ 窓 ６０５ 太陽光 ９０１ 基板 ９０２ 下部電極 ９０３ 半導体層 ９０４ 上部電極 ９０５ エッチングライン ９０６ 集電電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩見 哲 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 深江 公俊 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−244445（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−21743（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−106150（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−87905（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078 E04B 1/74 F24J 2/00 - 2/04

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非晶質光電変換素子と該光電変換素子を
    格納する構造材とを有し、該構造材が保温機能、内部に
    空気を流通させ得る空間、及び内部と熱容量の大きい空
    間との熱的結合手段を有し、該熱的結合手段が、外気又
    は熱源において加熱された空気のいずれかを切り換え可
    能に構造材内部に流通させる手段である太陽光エネルギ
    ー変換装置であって、上記熱的結合手段が、室外の空気
    と室内の空気を切り換えて上記構造材内部に流通させる
    手段であり、室外の温度を感知する温度センサーと、室
    内の温度を感知する温度センサーとを有し、室外の空気
    と室内の空気の切り換えが、上記光電変換素子の温度、
    室外の温度、室内の温度、日射量に基づいて、夜間は室
    内の空気が上記構造材内部に流通するように行われるこ
    とを特徴とする太陽光エネルギー変換装置。
  2. 【請求項２】 上記光電変換素子が、上記構造材の内部
    の空間を２分割するように取り付けられており、分割さ
    れた空間のうち、光電変換素子の非受光面側の空間に空
    気を流通させる請求項１に記載の太陽光エネルギー変換
    装置。
  3. 【請求項３】 上記日射量が、上記光電変換素子の発電
    量または電圧に基づいて感知される請求項１に記載の太
    陽光エネルギー変換装置。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光
    エネルギー変換装置及び空気の熱源を備えたことを特徴
    とする建築物。
  5. 【請求項５】 建築物に用いられる保温材により構造材
    に保温機能が付与される請求項４記載の建築物。
  6. 【請求項６】 熱源として住居空間を用いる請求項４ま
    たは５に記載の建築物。
  7. 【請求項７】 熱源として蓄熱空間を用いる請求項４ま
    たは５に記載の建築物。
  8. 【請求項８】 非晶質光電変換素子と該光電変換素子を
    格納する構造材とを有し、該構造材が保温機能、内部に
    空気を流通させ得る空間、及び内部と熱容量の大きい空
    間との熱的結合手段を有し、該熱的結合手段が、外気又
    は熱源において加熱された空気のいずれかを切り換え可
    能に構造材内部に流通させる手段である太陽光エネルギ
    ー変換装置における光電変換素子の温度制御方法であっ
    て、日 射量に応じて、外気或いは熱源において加熱され
    た空気のいずれかを、上記熱的結合手段によって切り換
    えて上記構造材内部に流通させ、日射量の多い時は外気
    を、夜間は熱源において加熱された空気を構造材内部に
    流通させることを特徴とする光電変換素子の温度制御方
    法。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の太陽光エネルギー変換
    装置における光電変換素子の温度制御方法であって、上
    記光電変換素子の温度、室外の温度、室内の温度、日射
    量に基づいて、室外の空気と室内の空気とを上記熱的結
    合手段によって切り換えて上記構造材内部に流通させ、
    夜間は室内の空気を上記構造材内部に流通させることを
    特徴とする光電変換素子の温度制御方法。
  10. 【請求項１０】 上記日射量が、上記光電変換素子の発
    電量または電圧に基づいて感知される請求項９に記載の
    光電変換素子の温度制御方法。
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