特許 7584071 電力デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】電力デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/053 20140101AFI20241108BHJP

   H01L 31/076 20120101ALI20241108BHJP

   H10K 30/40 20230101ALI20241108BHJP

   H10K 30/57 20230101ALI20241108BHJP

   H10K 39/15 20230101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

H01L31/04 610

H01L31/06 510

H10K30/40

H10K30/57

H10K39/15

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023187623

(22)【出願日】2023-11-01

【審査請求日】2024-03-25

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】523111201

【氏名又は名称】株式会社ＰＸＰ

(73)【特許権者】

【識別番号】322009206

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＬＡＢＬＥ

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】杉本 広紀

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－２８３１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８２３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１４７４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０４１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１２９８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０２３３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６９９０１３９（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１６３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５５２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８２６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０１２９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６６０４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／０４－３１／０７８

Ｈ０２Ｓ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ペロブスカイト太陽電池とカルコパイライト太陽電池とを備える太陽電池層と、前記太陽電池層の受光面と反対側の面に設けられ、少なくとも１つの、全固体マグネシウムイオン電池又は全固体ナトリウムイオン電池を備える蓄電池層とを備える電力デバイスであって、
前記太陽電池層と前記蓄電池層との間に、当該太陽電池層と当該蓄電池層との共通正極電極となり、前記太陽電池層が積層され、前記太陽電池層の積層方向と反対の方向に前記蓄電池層が積層される金属基体を備え、
前記太陽電池層の開放電圧に対する前記蓄電池層の公称電圧の比である電圧比が０．７４～０．８２である、電力デバイス。

【請求項2】

請求項１に記載の電力デバイスであって、
前記太陽電池層は、直列接続された前記ペロブスカイト太陽電池と前記カルコパイライト太陽電池とを備え、
前記太陽電池層の開放電圧は、前記ペロブスカイト太陽電池と前記カルコパイライト太陽電池のそれぞれの開放電圧の合計値である、電力デバイス。

【請求項3】

請求項１に記載の電力デバイスであって、
前記蓄電池層は、直列接続された複数の前記全固体マグネシウムイオン電池又は前記全固体ナトリウムイオン電池を有し、
前記蓄電池層の公称電圧は、前記複数の前記全固体マグネシウムイオン電池又は前記全固体ナトリウムイオン電池のそれぞれの公称電圧の合計値である、電力デバイス。

【請求項4】

請求項１に記載の電力デバイスであって、
前記蓄電池層は、並列接続された複数の前記全固体マグネシウムイオン電池又は前記全固体ナトリウムイオン電池を有し、
前記蓄電池層の公称電圧は、前記複数の前記全固体マグネシウムイオン電池又は前記全固体ナトリウムイオン電池のそれぞれの公称電圧の平均値である、電力デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

太陽電池は、天候不順や影により発電しにくいこと、あるいは夜間帯には発電しにくいこと等の理由により、安定した電力源とする場合には、蓄電システムと連携して使用される。特許文献１から特許文献３には、太陽電池と蓄電池とをモジュールとして一体化する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第８７０４０７８号明細書

【文献】米国特許第４４８１２６５号明細書

【文献】米国特許第４７４０４３１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、太陽電池と蓄電池とを接続する際に配線が複雑となることや、部品点数が多くなってしまい、コストがかかる。また、特許文献２には、太陽電池と同一基板上に蓄電池を積層する技術が記載されているが、配線のための貫通穴や電力を制御するための回路を基板上に設ける必要があり、依然として構造は複雑なままであった。特許文献３には、太陽電池と蓄電池とが導電性基板を共通電極とする構造が記載されている。しかし、特許文献３に記載のデバイスにおいても、太陽電池と蓄電池を単に一体化しただけの構造であるため、別途外部に電力を制御するための回路を設ける必要があり、デバイスのサイズは大きくなってしまう。

【0005】

そこで、本発明は、電力を制御するための制御回路を必要とせず、エネルギー利用効率が高い電力デバイス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】

【0006】

本開示の一態様に係る電力デバイスは、少なくとも１つの太陽電池を含む太陽電池層と、太陽電池層の受光面と反対側の面に設けられ、少なくとも１つの蓄電池を含む蓄電池層とを備える電力デバイスであって、太陽電池層と蓄電池層との間に、当該太陽電池層と当該蓄電池層との共通電極となる導電性基体を備え、太陽電池層の開放電圧に対する蓄電池層の公称電圧の比である電圧比が０．５８～０．８４である。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、電力を制御するための制御回路を必要とせず、エネルギー利用効率が高い電力デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る電力デバイスの断面図である。

【図2】本実施形態に係る他の電力デバイスの断面図である。

【図3】本実施形態に係る他の電力デバイスの断面図である。

【図4】本実施形態に係る他の電力デバイスの断面図である。

【図5】太陽電池の標準試験条件における蓄電池の充電状態及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図6A】実環境データに基づく蓄電池の充電状態及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図6B】実環境データに基づく蓄電池の充電状態及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図6C】実環境データに基づく蓄電池の充電状態及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図6D】実環境データに基づく蓄電池の充電状態及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図7】太陽電池の標準試験条件における負荷の抵抗値及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図8A】実環境データに基づく負荷の抵抗値及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図8B】実環境データに基づく負荷の抵抗値及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図8C】実環境データに基づく負荷の抵抗値及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図8D】実環境データに基づく負荷の抵抗値及び電圧カップリング比に応じた電力カップリング効率を示す図である。

【図9】太陽放射照度を除く太陽電池の標準試験条件における太陽放射照度比及び電圧カップリング比に応じた蓄電池の平均充電電流密度を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

【0010】

図１には、本実施形態に係る電力デバイス１００の断面図が示される。電力デバイス１００は、太陽電池層ＰＶ、導電性基体２０１、及び蓄電池層ＢＴを有する。太陽電池層ＰＶは、太陽電池１０１及び太陽電池１０２を有する。蓄電池層ＢＴは蓄電池３０１を有し、蓄電池３０１は太陽電池層の受光面と反対側の面に設けられる。

【0011】

電力デバイス１００では、太陽電池１０１，１０２が、電極１０３側からの光を受光して発電する。蓄電池３０１は発電された電力によって充電される。電力デバイス１００は、例えば天候不順や影、夜間帯において、太陽電池１０１，１０２による発電がされない場合、蓄電池３０１から電力を外部の負荷に供給する。

【0012】

太陽電池１０１は、透明導電膜１０１１、電子輸送層１０１２、ペロブスカイト光吸収層１０１３、及びホール輸送層１０１４を有するペロブスカイト太陽電池である。電子輸送層１０１２はｎ型半導体によって形成される層である。ペロブスカイト光吸収層１０１３は、ペロブスカイト構造を有する半導体によって形成される光吸収層であり、材料としては例えば（Ｃｓ，ＦＡ）ＰｂＩ₃等のペロブスカイト構造を有する材料をはじめとする種々の材料を用いることができる。ホール輸送層１０１４はｐ型半導体によって形成される層である。本実施形態では、太陽電池１０１のバンドギャップは約１．５５ｅＶである。

【0013】

太陽電池１０２は、透明導電膜１０２１、電子輸送層１０２２、カルコパイライト光吸収層１０２３、及びホール輸送層１０２４を有するカルコパイライト太陽電池である。電子輸送層１０２２はｎ型半導体によって形成される層であり、カルコパイライト光吸収層１０２３は、カルコパイライト構造を有する光吸収層であり、材料としては例えばＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）₂等のカルコパイライト構造を有する材料をはじめとする種々の材料を用いることができる。ホール輸送層１０２４はｐ型半導体によって形成される層である。本実施形態では、太陽電池１０２のバンドギャップは約１．０１ｅＶである。

【0014】

太陽電池１０１と太陽電池１０２とは、発電に用いる光の波長が異なるため、太陽電池１０１と太陽電池１０２とを直列接続することで、より効率的な発電が可能となる。

【0015】

電極１０３は、例えば、太陽電池１０１上に配置され、太陽電池１０１から電気を取り出すために設けられる電極である。電極１０３は負極電極である。電極１０３は導電材料であり、例えば、金属材料、合金材料、又は透明導電材等を用いることができる。なお、太陽電池１０１と太陽電池１０２は透明導電膜１０２１を介して直列に接続されており、太陽電池１０２で発生した電気は、太陽電池１０１を介して電極１０３から取り出される。

【0016】

導電性基体２０１は、太陽電池１０２と蓄電池３０１との間に設けられ、太陽電池１０２と、蓄電池３０１との共通の電極として機能する部材である。導電性基体２０１は正極電極である。導電性基体２０１は、例えば、金属箔である。あるいは、導電性基体２０１は、基板に金属材料が成膜されて形成された部材であってもよい。また、導電性基体２０１は複数の導電性基板（あるいは金属箔等）が張り合わされて形成された部材であってもよい。また、太陽電池層ＰＶ及び蓄電池層ＢＴは導電性基体２０１の一部を共通の電極として用いてもよく、太陽電池層ＰＶ及び蓄電池層ＢＴのそれぞれの面積は異なっても良い。なお、太陽電池１０２と太陽電池１０１は透明導電膜１０２１を介して直列に接続されており、太陽電池１０１で発生した電気は、太陽電池１０２を介して導電性基体２０１から取り出される。

【0017】

蓄電池３０１は、太陽電池１０１，１０２の受光面と反対側の面に設けられる。蓄電池３０１は、導電性基体２０１に接続される正極層（正極合材層）３０１１、電解質層３０１２、負極層（負極合材層）３０１３、及び電極３０２を有する。蓄電池３０１は、例えば、全固体マグネシウムイオン電池又は全固体ナトリウムイオン電池である。電極３０２は負極電極である。蓄電池３０１は正極を太陽電池１０１，１０２と共有し、電極３０２を通じて電極１０３に接続される。電力デバイス１００では蓄電池層ＢＴに１つの蓄電池３０１を用いているが、蓄電池層ＢＴは複数の蓄電池によって構成されてもよい。

【0018】

電力デバイス１００では、太陽電池層ＰＶは、シリコン太陽電池、カルコパイライト太陽電池、ケステライト太陽電池、カドミウムテルル太陽電池、若しくはペロブスカイト太陽電池又はこれらの電池を組み合わせた電池を含んでもよい。

【0019】

また、太陽電池層ＰＶでは、複数の太陽電池は直列接続されてもよい。複数の太陽電池が直列接続された場合の電力デバイス１００Ａが図２に示される。電力デバイス１００Ａでは、太陽電池層ＰＶは、太陽電池１０１，１０１Ａ，１０１Ｂを有する。太陽電池１０１Ａ，１０１Ｂは、それぞれ、透明導電膜１０１１Ａ，１０１１Ｂ、電子輸送層１０１２Ａ，１０１２Ｂ、ペロブスカイト光吸収層１０１３Ａ，１０１３Ｂ、及びホール輸送層１０１４Ａ，１０１４Ｂを有するペロブスカイト太陽電池である。また、太陽電池１０１Ａ，１０１Ｂには、電極１０３Ａ，１０３Ｂ及び導電性基体２０１Ａ，２０１Ｂがそれぞれ設けられる。太陽電池１０１Ａは、電極１０３及び導電性基体２０１Ａを通じて太陽電池１０１と直列接続される。太陽電池１０１Ｂは、電極１０３Ａ及び導電性基体２０１Ｂを通じて太陽電池１０１及び太陽電池１０１Ａと直列接続される。なお、導電性基体２０１と導電性基体２０１Ａ，２０１Ｂは絶縁体４０１によって絶縁されている。また、太陽電池層ＰＶは図１のように、太陽電池１０１，１０２が積層された構造を１セットとし、複数のセットを直列接続した構造としてもよい。

【0020】

電力デバイス１００及び電力デバイス１００Ａにおいて、太陽電池層ＰＶの開放電圧は複数の太陽電池のそれぞれの開放電圧の合計値である。ここで、開放電圧とは、太陽電池の標準試験条件における太陽電池の正極と負極とを開放した時の両端間の電圧である。

【0021】

電力デバイス１００及び電力デバイス１００Ａでは、蓄電池層ＢＴは、全固体電池若しくは半固体電池、又はこれらを組み合わせた蓄電池を含んでもよい。全固体電池又は半固体電池は、プロトン電池、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、銅イオン電池、若しくは銀イオン電池、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

【0022】

蓄電池層ＢＴでは、図３に示す電力デバイス１００Ｂのように、複数の蓄電池が直列接続されてもよい。電力デバイス１００Ｂでは、蓄電池層ＢＴは、蓄電池３０１及び蓄電池３０３を有する。蓄電池３０３は、電極３０２に接続される正極層（正極合材層）３０３１、電解質層３０３２、負極層（負極合材層）３０３３、及び電極３０４を有する。電極３０４は負極電極である。このとき、蓄電池層ＢＴの公称電圧は複数の蓄電池のそれぞれの公称電圧の合計値である。ここで、公称電圧とは、一般的な条件下において放電した場合の平均作動電圧であり、一般的な条件下とは２５℃にて、放電レート１Ｃで、満充電状態から放電終止状態まで放電する条件を示す。

【0023】

また、蓄電池層ＢＴでは、図４に示す電力デバイス１００Ｃのように、複数の蓄電池は並列接続されてもよい。電力デバイス１００Ｃでは、蓄電池層ＢＴは、蓄電池３０１及び蓄電池３０３を有する。蓄電池３０３は、電極３０２に接続される負極層（負極合材層）３０３３、電解質層３０３２、正極層（正極合材層）３０３１、及び電極３０４を有する。電極３０４は正極電極である。このとき、蓄電池層ＢＴの公称電圧は複数の蓄電池のそれぞれの公称電圧の平均値である。

【0024】

電力デバイス１００では、太陽電池層ＰＶに用いる太陽電池の種類及び接続を変更して、太陽電池層ＰＶの開放電圧を設定することができる。また、電力デバイス１００では、蓄電池層ＢＴに用いる蓄電池の種類及び接続を変更して、蓄電池層ＢＴの公称電圧を設定することができる。より具体的には、太陽電池の光吸収層材料をバンドギャップの広い材料に変えることで、開放電圧を高くすることができる。例えばペロブスカイト太陽電池ではヨウ素を臭素に一部置換した材料を用いること、カルコパイライト太陽電池では、インジウムをガリウムに一部置換した材料、及びセレンをイオウに一部置換した材料を用いることで、バンドギャップを広くすることができる。さらに、太陽電池の直列数を増やして、開放電圧を高くすることができる。また、蓄電池の種類を、ナトリウムイオン電池やマグネシウムイオン電池から、プロトン電池や銅イオン電池、銀イオン電池に変更することで、公称電圧を低く、リチウムイオン電池やカリウムイオン電池に変更することで、公称電圧を高くすることができる。さらに、それぞれの蓄電池において、正極材料を酸化物材料とすることで公称電圧を高く、硫化物材料とすることで公称電圧を低くすることができる。また、負極材料を金属単体やカーボンとすることで公称電圧を高く、酸化物材料や硫化物材料とすることで公称電圧を低くすることができる。また、蓄電池の直列数を増やして、公称電圧を高くすることができる。

【0025】

太陽電池１０１，１０２によって構成される太陽電池層ＰＶの開放電圧と、蓄電池層ＢＴの公称電圧の関係について説明する。電力デバイス１００では、太陽電池層ＰＶの開放電圧と蓄電池層（蓄電池３０１）の公称電圧の比である電圧比（電圧カップリング比）は、０．５８～０．８４の間とされる。

【0026】

電力デバイス１００における、太陽電池１０１，１０２によって構成される太陽電池層ＰＶの開放電圧は約１．８１Ｖである。また、蓄電池３０１が全固体マグネシウムイオン電池の場合、蓄電池層ＢＴの公称電圧は約１．１５Ｖである。この場合、電圧カップリング比は、０．６４となる。蓄電池３０１が全固体ナトリウムイオン電池の場合、蓄電池層ＢＴの公称電圧は約１．４８Ｖである。この場合、電圧カップリング比は０．８２となる。このように、電力デバイス１００では、太陽電池層ＰＶの開放電圧及び蓄電池層ＢＴの公称電圧を設定することで、電力デバイス１００における電圧カップリング比を設定することができる。

【0027】

太陽電池層ＰＶ及び蓄電池層ＢＴに用いる太陽電池及び蓄電池は、図１で示した例とは異なる組み合わせも可能である。例えば、比較的に公称電圧が高い、リチウムイオン電池やカリウムイオン電池を蓄電池層ＢＴに用いる場合、太陽電池１０１，１０２がタンデム接続された太陽電池を３組直列接続して太陽電池層ＰＶを構成し、蓄電池層ＢＴを１セルのリチウムイオン電池やカリウムイオン電池によって構成して電圧カップリング比を適切に調整することができる。また、比較的に公称電圧が低いプロトン電池や銅イオン電池、又は銀イオン電池を蓄電池層に用いる場合、太陽電池１０１，１０２がタンデム接続された太陽電池を１つ設けることで太陽電池層ＰＶを構成し、蓄電池層ＢＴを２セル又は３セルの蓄電池を直列接続して構成して電圧カップリング比を適切に調整することができる。

【0028】

＜実施例１＞
図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄを参照して実施例１について説明する。図５には、太陽電池の標準試験条件（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ：ＳＴＣ）における、電力デバイス１００の電圧カップリング比及び蓄電池層ＢＴの充電状態に対する電力カップリング効率の数値シミュレーション結果が示される。標準試験条件は、エアマス（Ａｉｒ Ｍａｓｓ：ＡＭ）が１．５、温度が２５℃、太陽光の日射強度が１ｋＷ／ｍ²である状態である。また、電力カップリング効率とは、太陽電池の最適動作点における発電電力に対する、蓄電池及び外部負荷へ供給する電力の割合として定義される。

【0029】

図５に示される結果は、太陽電池の標準試験条件において、電力デバイス１００に外部負荷が接続されず、太陽電池層ＰＶが発電した電力がすべて蓄電池層ＢＴに供給された場合の結果である。

【0030】

図５に示されるように、電圧カップリング比が０．５８～０．８４の間にある場合、種々の充電状態において、電力カップリング効率が概ね８０％以上となっている。なお、電力カップリング効率が概ね８０％以上となる電圧カップリング比は、図６に示される電圧カップリング比の平均をとることにより、電圧カップリング比が０．５８～０．８２の間にあるとしてもよい。

【0031】

また、電圧カップリング比が０．６３～０．７９である場合、電力カップリング効率が概ね９０％以上となっている。例えば、電圧カップリング比が０．６３である場合の各充電状態における電力カップリング効率の平均値は９０％であり、電圧カップリング比が０．７９である場合の各充電状態における電力カップリング効率の平均値は９１％である。

【0032】

さらに、電圧カップリング比が０．６８～０．７４である場合、電力カップリング効率が概ね９５％以上となっている。例えば、電圧カップリング比が０．６８である場合の各充電状態における電力カップリング効率の平均値は９５％であり、電圧カップリング比が０．７４である場合の各充電状態における電力カップリング効率の平均値は９７％である。

【0033】

図６Ａから図６Ｄには、東京で地面に水平設置したモジュールを用い、年間の各時期（春季、夏季、秋季、冬季）のそれぞれにおける、ＡＭ、温度、日射強度の実測値を用いた場合の、電力デバイス１００の電圧カップリング比及び蓄電池層ＢＴの充電状態に対する電力カップリング効率の数値シミュレーション結果がそれぞれ示される。図６Ａから図６Ｄでは、日の出から日没までの積算値を用いて電力カップリング効率が算出されている。年間を通した傾向として、太陽高度の低下及び気温の低下がある秋季及び冬季にかけて、電力カップリング効率が高くなる電圧カップリング比は、春季及び夏季より大きな値にシフトする傾向がある。図６Ａから図６Ｄの各図においても、電圧カップリング比が０．５８～０．８４の間にある場合、種々の充電状態において、電力カップリング効率が概ね８０％以上となっている。また、電圧カップリング比が０．６８～０．７９である場合、電力カップリング効率が概ね９０％以上となっている。さらに、電圧カップリング比が０．７４前後である場合、電力カップリング効率が概ね９５％以上となっている。

【0034】

電力カップリング効率が高いことは、太陽電池層ＰＶが発電した電力が蓄電池層ＢＴにより多く供給されることを意味する。このように、電圧カップリング比を適切に調整することで、制御回路を別途設けることなく、効率的に蓄電池層ＢＴの蓄電池を充電することが可能となる。

【0035】

＜実施例２＞
図７、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄを参照して実施例２について説明する。図７には、太陽電池の標準試験条件における、電力デバイス１００の電圧カップリング比及び電力デバイス１００に接続される負荷の抵抗値に対する電力カップリング効率の数値シミュレーション結果が示される。図７及び以降の図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄでは、電力カップリング効率は、充電状態を５～９５％まで変化させた場合の平均値として算出されている。図７において負荷がない場合に対応する数値は、図６の最下行に示される平均値に対応する。

【0036】

図７に示されるように、電圧カップリング比が０．６３～０．８９の間にある場合、種々の充電状態において、電力カップリング効率が概ね８０％以上となっている。なお、電力カップリング効率が概ね８０％以上となる電圧カップリング比は、図７に示される電圧カップリング比の平均をとることにより、電圧カップリング比が０．６０～０．８７の間にあるとしてもよい。

【0037】

また、電圧カップリング比が０．７４～０．８４である場合、電力カップリング効率が概ね９０％以上となっている。例えば、電圧カップリング比が０．７４である場合の電力カップリング効率の平均値は９２％であり、電圧カップリング比が０．８４である場合の電力カップリング効率の平均値は９１％である。

【0038】

さらに、電圧カップリング比が０．７９前後である場合、電力カップリング効率が９５％以上となっている。電圧カップリング比が０．７９である場合の電力カップリング効率の平均値は９５％である。

【0039】

図８Ａから図８Ｄには、東京で地面に水平設置したモジュールを用い、年間の各時期（春季、夏季、秋季、冬季）のそれぞれにおける、ＡＭ、温度、日射強度の実測値を用いた場合の、電力デバイス１００の電圧カップリング比及び電力デバイス１００に接続される負荷の抵抗値に対する電力カップリング効率の数値シミュレーション結果がそれぞれ示される。図８Ａから図８Ｄでは、日の出から日没までの積算値を用いて電力カップリング効率が算出されている。年間を通した傾向としては図６Ａから図６Ｄで示した例と同様に、太陽高度の低下及び気温の低下がある秋季及び冬季にかけて、電力カップリング効率が高くなる電圧カップリング比は、春季及び夏季より大きな値にシフトする傾向がある。

【0040】

図８Ａから図８Ｃの各図においては、電圧カップリング比が０．６０～０．８７の間にある場合、電力カップリング効率が概ね８０％以上となっている。また、電圧カップリング比が０．７２～０．８２である場合、電力カップリング効率が概ね９０％以上となっている。さらに、電圧カップリング比が０．７９前後である場合、電力カップリング効率が概ね９５％以上となっている。

【0041】

図８Ｄに示される冬季の状態を考慮する場合、電圧カップリング比が０．６３～０．８９の間にある場合、電力カップリング効率が概ね８０％以上となっている。また、電圧カップリング比が０．７９～０．８４である場合、電力カップリング効率が概ね９０％以上となっている。さらに、電圧カップリング比が０．８４前後である場合、電力カップリング効率が概ね９５％以上となっている。また図７、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄでは、負荷の抵抗値が高い場合は、電力カップリング効率が高くなることが示される。

【0042】

このように、負荷を接続した場合であっても、電圧カップリング比を適切に調整することで、制御回路を別途設けることなく、効率的に蓄電池層ＢＴの蓄電池を充電することが可能となる。

【0043】

＜実施例３＞
図９を参照して実施例３について説明する。図９には、太陽放射照度を除く太陽電池の標準試験条件における、電力デバイス１００の電圧カップリング比及び太陽放射照度比に対する太陽電池層ＰＶから蓄電池層ＢＴに流れる電流の平均電流密度のシミュレーション結果が示される。太陽放射照度比とは、標準試験条件における太陽放射照度に対する、実際の太陽放射照度の比である。

【0044】

電力デバイス１００では、太陽電池層ＰＶが十分な量の光を受けて発電を行っている場合は、太陽電池層ＰＶから蓄電池層ＢＴに電流が流れ蓄電池層ＢＴの蓄電池が充電される。図９に示されるように、太陽放射照度比が１．０００から０．０１０に変化すると、一部の平均電流密度の値は負の値となる。これは、蓄電池層ＢＴから太陽電池層ＰＶに電流が流れるつまり逆電流が発生することを示している。太陽放射照度が小さくなった場合に逆電流が生じることは、昼間に蓄電池層ＢＴの蓄電池に充電された電力が、夜間に自然消費される事を意味する。

【0045】

図９に示されるように、電圧カップリング比が０．５８～０．８４の間にある場合、逆電流は発電時の電流の数％に抑えることができる。より具体的には、電圧カップリング比を０．５８～０．８２の間とすることで、逆電流は発電時の約１%程度に抑えられる。よって、夜間に逆電流が生じた場合であっても、蓄電池は十分充電された状態とすることができ、電力を保つことができる。逆電流の防止には、逆流防止ダイオードを設けることが考えられるが、電力デバイス１００では、電圧カップリング比を０．５８～０．８４とすることで、逆流防止ダイオードを設ける必要がなくなる。これにより、構造がシンプルでありかつ低コストで電力デバイス１００を製造することが可能となる。

【0046】

＜まとめ＞
実施例１，２，３で示した各種結果に基づくと、太陽電池層ＰＶと蓄電池層ＢＴとの電圧カップリング比を０．６０～０．８２の間とすることで、電力デバイス１００は、外部に設けられ得る充放電のための制御回路又は逆流防止ダイオードを用いる必要がなくなる。よって構造がシンプルでありかつ低コストで電力デバイス１００を製造することが可能となり、さらに、高い電力カップリング効率を実現することが可能となる。電力デバイス１００は、太陽電池層ＰＶが発電できない場合には、自動的に蓄電池層ＢＴから電力を供給することができる。よって、特に、影等による影響を受けやすい、建築物、車両等の移動体、又は飛行体のルーフ、窓、壁面等に電力デバイス１００を設置することで、シンプルな構造をとりつつ太陽エネルギーの利用が可能となる。あるいは、電力デバイス１００は街灯やディスプレイ装置の独立した電源デバイスとしても使用し得る。また、電力デバイス１００はモバイル機器の電源デバイスや、宇宙または成層圏にあるデバイスの電源デバイスとしても使用し得る。

【0047】

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

【符号の説明】

【0048】

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…電力デバイス、１０１，１０２…太陽電池、１０３…電極、２０１…導電性基体、３０１…蓄電池、ＰＶ…太陽電池層、ＢＴ…蓄電池層

【要約】

【課題】電力を制御するための制御回路を必要とせず、エネルギー利用効率が高い電力デバイスを提供すること。
【解決手段】少なくとも１つの太陽電池を含む太陽電池層ＰＶと、太陽電池層の受光面と反対側の面に設けられ、少なくとも１つの蓄電池を含む蓄電池層ＢＴとを備える電力デバイスであって、太陽電池層ＰＶと蓄電池層ＢＴとの間に、当該太陽電池層ＰＶと当該蓄電池層ＢＴとの共通電極となる導電性基体２０１を備え、太陽電池層ＰＶの開放電圧に対する蓄電池層ＢＴの公称電圧の比である電圧比が０．５８～０．８４である電力デバイス１００。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9】