Within the last years many books about PV in buildings were published. On average they include 15-20 case studies. Even though opaque PV modules are contributing by far the lion's share in terms of module production, it is interesting to see that about one third of the BIPV case studies in the studied literature are using light-transmissive photovoltaic (LTPV) laminates, mostly bespoke solutions. This raises the question, whether LTPV are more appropriate for building integration than opaque PV, even though they are an absolute niche product for the manufacturers. In contrast to the importance that LTPV have as case study examples, their special features are hardly dealt with, at best in a brief section about transparency. An analysis with the main focus on LTPV, that addresses the issue of a comparative analysis of built examples based on a comprehensive corpus, is lacking.

To address LTPV separate from opaque PV is based on its translucent or semi-transparent properties and qualities. The ability to change the degree of light-transmittance, for illumination or shading, for allowing or preventing views, for letting in desired heat gains or blocking undesired heat loads, while fulfilling the basic function of PV as power generator, plus the aesthetic qualities of rich shadow plays, colour and texture, all in one building and architectural element, elevates its flexibility beyond opaque PV.

The analysis of PV in buildings has commonly been based on opaque PV due to the overwhelming market share. My thesis is, that certain issues, only recently noticeable or noticeable only when looking from the point of LTPV, are showing the limitation of this approach. This study is meant to fill the gap, the lack of research into LTPV as an architectural element.

A corpus of ~600 realised LTPV projects from the last two decades was compiled. This means about four to five times more built examples than the case studies published in the reference literature about PV in buildings. From this full corpus 116 projects were selected for a comparative analysis, to establish and verify key design parameters for LTPV.

A Six-Level-Matrix is suggested as a framework for the analysis of built examples. Architectural integration has to be considered on all six levels. Analyses so far have focused mainly on the two elemental levels 'solar cell' (level 1) and 'solar panel' (level 3), and the first integrational level 'built form' (level 5). However, as solar cells are not available in any shape, the problem of how to manage the distribution of solar cells in an arbitrarily shaped solar panel arises. This controversy gave rise to the consideration of the 'cell-group form' (level 2) and similarily of the 'panel-group form' (level 4) as mediating compositional and intermediate levels. An analysis of the two newly considered intermediate levels, and a subsequent categorisation of built examples was done in this study for the first time. An extension of the analysis beyond the building envelope into the macro-scale environment is suggested and included in the Six-Level-Matrix as the final level 'urban / landscape form' (level 6), to include non-building projects, integrated urban surfaces and new forms of energy generating, performative landscape patterns.

Regardless the technology a large variety of different designs are achievable. It became clear, that the two major technologies crystalline silicon PV and thin-film PV provide different opportunities, for influencing the level of transparency, for daylighting, and for the provision of visible connection between inside and outside. Whereas light-transmissive thin-film PV is a rather unobtrusive architectural material very similar to tinted glass, light-transmissive crystalline silicon PV has a strong visual impact and requires much more attention during the design and planning stage. However, severe restrictions may yield surprising opportunities. The analysis has shown, that the manufacturer independent standardisation of crystalline silicon cells provides architects and engineers in collaboration with PV companies the tools for experimentation and innovation. The result is an astonishing flexibility in influencing the key design parameters. The suggested Six-Level-Matrix has not only helped in understanding the integration process of PV into buildings, but has also opened the door for a more analytic approach in generating alternative patterns for LTPV, as was exemplified with two design proposals for alternative PV patterns.

It appears reasonable to state, that the full range of available PV materials has not been equally applied to LTPV. It is not only the active PV technology itself, that an architectural LTPV element is made of. Already the required encapsulation provides opportunities for variations. Especially here, the combination of at least two uniquely different materials, photovoltaic semiconductor and encapsulant, with their inherently different material characteristics and visual appearance could offer an extended range of combinatorial and customisable choice still waiting to be fully exploited. Furthermore, the combination with other non-PV elements provides more opportunities and is independent of the used PV technology. In fact, such additions can bridge between the different technologies, between PV technology and architecture, and finally between PV technology and widespread social and cultural acceptance.

Fig.1: Six-Level-Matrix and key design parameters

with the two axial tendencies for scale / combination and uniformity (homogeneity / heterogeneity)

建築デザイン分野において、環境建築に対する意識は広く一般的に浸透しつつある。本研究はその代表的な技術のひとつである太陽光発電モデュールに着目し、その歴史的変遷を概観し、過去30年間に世界中で行われた広範な事例を元に、建築設計における太陽光発電モデュールの使用方法について整理・類型化を行った。全610の事例分析に加え、特に近年実用化が進んでいる透光性太陽光発電モデュール(以下LTPV)の使用事例について詳細に分析を行っている。そこから主要な設計的条件・要素を抽出することで、LTPVを用いた建築設計における新たな可能性を明らかにしようとするものである。

本論文は全7章で構成されている。

第1章では、 本論文の背景および研究の目的、既往研究と本研究の位置づけ、論文の構成を明らかにした。

第2章では、まず太陽光発電モデュールの技術的側面に着目し、それらの種類別に、その定義、性質、技術的革新性、形態、サイズ、材表面の質感や色、エネルギー効率等を比較考察しながら、分類を行った。

第3章では、第2章で見た太陽光発電モデュールの、建築への使用に焦点を絞り分析を行っている。技術的発展に伴う建築への使用方法の変化に着目し、時代ごとにその変遷を論じることで、建築産業における太陽光発電市場全体の歴史を網羅していると言える。また、本研究が主対象とするLTPVが市場に登場してから現代までの変化についても論じている。

第4章では、太陽光発電モデュールの事例を全610収集し分析を行った。分析の方法としては、国内外で広く出版されている出版物等から該当事例を収集し、資料集成としての類型化を行った。それぞれの事例について国、地域、年代、適用ビルディングタイプ、設計等の項目について分類を行うことで、過去30年の建築における太陽光発電モデュールの使用傾向を広範な規模で明らかにすることができたと言ってよい。

またその中で近年特に実用化が進むLTPVに限定し全調査対象事例のうちヨーロッパ(75)、アメリカ(18)、アジア(17)、アフリカ(3)、オーストラリア(3)より合計116事例を抽出し、詳細な分析を行った。

第5章では、第4章で分類を行った事例について、6つのレベルでのマトリックスを作成し、分析・類型化を行った。このマトリックスは、一般に行われる構成要素の分析に加え、それら要素の配列パターンも同時に分析していることが、特にセルという構成要素の反復パターンという構成の太陽光発電モデュールの分析にとって有用な方法でもある。またこのマトリックスより設計プロセスにおいて利用できるキーパラメーターを抽出することで、実際の設計のガイドとしても働くことを目指して作成されている。

そのマトリックスは、レベル1 "SOLAR CELL"、レベル2 "CELL-GROUP FORM"、レベル3 "SOLAR PANEL"、レベル4"PANEL-GROUP FORM"、レベル5 "BUILT FORM"、レベル6 "URBAN/LANDSCAPE FORM"の6レベルで構成されている。それらによってLTPVの技術的な限界と、それらの建築への使用実例との関係性が網羅されていると言ってよく、同時に現行のLTPVの使用のされ方に関する傾向を明らかにしている。

第6章では、太陽光発電モデュール及びLTPVの技術を建築への現代的な応用を模索するために、その配置パターンの展開による様々なデザインの可能性についてのケーススタディを行った。特にパラメトリックなパターン生成手法を応用したより自由なガラス壁面のデザインの提案や、都市空間における道路面や広場の舗装デザインへの応用等の提案を通じ、従来の使用方法にとらわれない新たな可能性を示唆している。

第7章では、 以上をまとめ、建築における太陽光発電モデュールの使用方法と、その機能・デザイン性における今後の展開についての提言を行うことで、これからの建築デザインにおけるLTPVのありかたを展望した。また最後に、本論文で対象として扱っている、現行のセルによるシステムを超えた、将来の技術革新や産業転換も視野に入れた考察を加えている。

以上のように本論文は、 広範な事例収集によりLTPVの様々な利用類型を明らかにしたことがまず評価される。それに加えて各レベルでの技術的限界を理解した上でのデザインへの応用可能性が示されている点、特にそれらが設計段階で設計者に有用なマトリックスとして示されていることがデザインに対する実用性を高めており、本論文独自の視点であると認められること等から、本研究には大きな意義があると判断された。

このような理由から本論文は、今後の建築デザイン分野における、環境建築の方向性を示唆する研究として、建築学の発展に大きな寄与となり得るものである。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。