JP2004023012A - Optical junction structure of optical conductor and of photoreceptor - Google Patents

Optical junction structure of optical conductor and of photoreceptor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical junction structure, minimizing the loss in the transmission of light to a photoreceptor from a light source, while easing the alignment accuracy of the photoreceptor and the optical conductor. <P>SOLUTION: In an optical junction structure comprising a bonding member 602 bonding an optical conductor 601 with a photoreceptor 603, an angle γ formed by a normal 604 on the side surface of a connecting member as viewed at an angle of 90°-β or larger to the lower end surface when viewed from the point (a) at the outer periphery of the lower end surface and a travelling direction 605 of the light is between 90° and 180°, when the angle of incidence of the light from the point (a) on the outer periphery of the lower end surface of the optical conductor 601 to the bonding member 602 is β. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導体と受光体の接合構造に関する。特に、受光体に太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールの光導体と受光体の接合構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、様々なところで光を利用した装置が使用されている。例えば、光源からの光により受光体から電気信号を得て装置を制御するものや、受光体により電力を得る装置、すなわち太陽電池モジュール等が挙げられる。これらの装置は、光源からの光を光導体等により受光体に導く構造である場合が多い。
【0003】
これらの光導体と受光体の光接合構造の一例を図4乃至図6に模式的に示す。図4は光接合構造の斜視図であり、図5は図4の上面から見た図であり、図6は図5のA−A’における断面図である。この光接合構造は、光導体201と受光体203を透明な接着剤202により直接接合し、光導体と接着剤中を光204(図6中に矢印で表記している。)が透過し、受光体に光が到達する構造であり、光は光導体201の上面側から入射し受光体203へと導かれる。
【0004】
光導体と受光体の光接合構造の別の例を図7乃至図9に模式的に示す。図7は光接合構造の斜視図であり、図8は図7の上面から見た図であり、図9は図8のA−A’における断面図である。この光接合構造は、光導体301と受光体302それぞれを固定部材303によって機械的に固定し、光導体と空気中を光304(図9中に矢印で表記している。)が透過し、受光体に到達する構造である。
【0005】
通常、光導体の光出射面と受光体の受光面は、寸法形状を同一として光エネルギーの伝達の損失を抑えることが好ましい。しかし、実際は、光導体と受光体の加工精度、光導体と受光体の位置あわせ精度等の問題が有る。寸法形状を同一にした場合には、位置あわせ精度から光導体と受光体にずれを生じてしまう。その為、光エネルギーの伝達に損失を生じる。
【0006】
そこで、そのような光エネルギーの損失を抑えるために、あらかじめ、光導体もしくは受光体の寸法形状のいずれかを、光導体と受光体の加工精度、光導体と受光体の位置あわせ精度を見込んだ寸法形状とすることが行われる。図4、図7に示した光接合構造は、これらの位置あわせ精度を見込み受光体の寸法形状をあらかじめ光導体の光出射面より大きくしたものである。
【0007】
しかし、受光体が光起電力素子である場合、具体的には集光型太陽電池素子である場合には、これだけでは問題解決にならない。
【0008】
例えば、図10乃至図12に示す光接合構造では、以下のような問題がある。尚、図10は光接合構造の斜視図であり、図11は図10の上面から見た図であり、図12は図11のA−A’における断面図である。
【0009】
光導体401の光出射面が光起電力素子402の受光面よりも小さい場合には、光起電力素子に光の入射が非常に弱い部分が生じ、その部分はほとんど発電に寄与せず、光起電力素子に無駄な部分を生じることとなる。そしてこの場合には、光起電力素子の一部に電流の集中等が生じ、光起電力素子の内部構造に破壊を生じる場合がある。
【0010】
これを防止するために光導体401の出射面と受光体402の間を接合部材403で充填させることが考えられる。充填材(接合部材403)を受光体の間に設けることで光導体の端面から出射された光をこの部分に閉じ込めることができる。
【0011】
しかし、接合部材の側面の形状によっては、光エネルギーに大幅な伝達損失を生じることがわかった。そのような例を図13乃至図15を用いて説明する。尚、図13は光接合構造の斜視図であり、図14は図13の上面から見た図であり、図15は図14のA−A’における断面図である。
【0012】
光導体501と受光体503の接合を液状の接着剤502により行なうと、光導体と受光体の接合部分の構造が、図15に示すような形状になる場合がある。これは、光導体501と受光体503の間隔に対して、接合部材である接着剤502が過剰であるために、光導体の下部周辺に接着剤がはみ出してしまうためである。このような形状の場合には光導体501からの光504(図15中に矢印で表記している。)は接合部材502から外部へ漏れていき受光体503へ達することができない。
【0013】
逆に図6のように接着剤が不足すると光導体と受光体の間を充填できなくなるため、光起電力素子の受光面全体には光204は入射されない。その結果、図12と同様に光起電力素子に光の入射が非常に弱い部分が生じる。更に接合部材の側部が盛り上がるためにこの側部から光204は漏れていく。そのために受光体203にうまく光が伝達できない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光源からの光を、光導体を用いて受光体に導く場合には、光導体と受光体の接合部分で光エネルギーの伝達に損失を生じてしまっていた。
【0015】
本発明の主たる目的は、上記事情に鑑み、受光体と光導体の位置合わせ精度を緩和しつつ光源から受光体への光の伝達において損失を最小限にし得る光接合構造を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の構成は、以下の通りである。
【0017】
即ち、本発明は、上端面で光を受け、下端面から光を照射する光導体と、該光導体から照射された光を受ける受光体と、該光導体と該受光体を接合する接合部材からなる光接合構造において、前記光導体の下端面外周上の点aから前記接合部材への光の入射角をβとした場合に、該下端面外周上の点aから見て該下端面に対して90°−β以上の角で見とられる前記接続部材の側表面における法線と、光の進行方向との成す角γが90°以上180°以下であることを特徴とする。
【0018】
この場合、前記光導体の屈折率をnとし、前記光導体の下端面外周上の点aへの光の入射角をαとした場合に、sin(90−α)=1/nを満たすことが好ましい。これにより、光導体と受光体を接合する接合部材からの光の外部への漏れを最小限にすることができる。
【0019】
また本発明は、上端面で光を受け、下端面から光を照射する光導体と、該光導体から照射された光を受ける受光体と、該光導体と該受光体を接合する接合部材からなる光接合構造において、前記接合部材が、前記受光体と同形状で且つ前記光導体よりも大きいことを特徴とする。
【0020】
さらに本発明は、上端面で光を受け、下端面から光を照射する光導体と、該光導体から照射された光を受ける受光体と、該光導体と該受光体を接合する接合部材からなる光接合構造において、前記接合部材の側表面が、前記光導体の下端面外周と前記受光体の受光面外周を最短距離で結ぶ直線で構成されていることを特徴とする。
【0021】
本発明のこれらの光接合構造においては、
「前記接合部材が弾性を有するシート部材からなること」、
「前記受光体が太陽電池素子からなること」、
「前記光導体の受光する光が太陽光線を集光した光であること」、
が好ましい。
【0022】
本発明によれば、光源から受光体への光の伝達において損失を小さく抑えることができる。特に光起電力素子が受光体である太陽電池モジュールにおいて光の損失を小さく抑え、変換効率を高めることができる。
【0023】
また、前記接合部材が弾性を有するシート部材からなることにより、光導体と受光体の接合時に、光導体および受光体に何の損傷も与えず、且つ、接合部に気泡残り等を生じずに、本発明の接合部材の形状を容易に実現することが可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の光接合構造の一例を図1乃至図3に模式的に示す。図1は光接合構造の斜視図であり、図2は図1の上面から見た図であり、図3は図2のA−A’における断面図である。これらの図において、101は光導体、102は接合部材、103は受光体である。
【0025】
以下に本発明に係る各構成要素を詳述する。
【0026】
(光導体)
本発明における光導体101は、光を受光体へと導くものである。光導体が受光し、受光体へ導く光は、光源からの直接の光や、何らかの光学部材を透過、屈折、反射等した光である。光源としては、例えば、レーザー、照明、太陽等が挙げられる。また、何らかの光学部材を透過、屈折、反射等した光としては、前述の光源からの光をレンズ等によって集光した光や、反射鏡を用いて反射した光等が挙げられる。これらの光は、光導体の入射面の直前や、光導体内で一度焦点を結び、その後、光導体中を透過、屈折、反射等して受光体へ照射される。
【0027】
本発明において、光導体には公知のものが使用可能である。具体的には、ライトパイプ等が挙げられる。これら光導体は、入射した光をできる限り損失無く出射できることが好ましい。すなわち、光導体中において、光の伝達が透過を主体とする場合には、光導体の透過率が高いことが求められる。透過率が高い必要のある波長は、受光体の種類によって異なるが、例えば受光体が太陽電池素子である場合には、300nm〜1200nmで透過率が高いことが好ましい。その透過率は、95%以上であることが好ましく、より好ましくは98%以上である。
【0028】
また、光が光導体と外部との界面、または光導体中の界面での反射を繰り返しながら伝達する場合には、界面の全反射率が高いことが好ましい。界面の全反射率を高めるためには、界面ができる限り平滑で鏡面であることが必要である。また、界面にごみ等が付着していないことも重要である。本発明で求められる全反射率は、99%以上が好ましく、より好ましくは99.9%以上である。
【0029】
反射を利用する光導体としては、屈折率の異なる層を外側に設けたもの等が挙げられるが、本発明においては、光導体の外部の空気との屈折率差を利用した光導体が好ましい。これは光導体と外部の空気の屈折率の差が非常に大きいためであり、これにより光導体内に入射した光を全反射する角度が広がる。そのため、そもそも光導体の入射面に入射する光の入射角が広がり、より多くの光を利用できるようになるためである。
【0030】
本発明において光導体に好適に用いられる材料としては、いわゆる光学的用途に使用可能な材料が挙げられる。例えば、ガラス、樹脂材料が挙げられる。具体的な樹脂材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。
【0031】
また、透過する光に赤外線の成分が含まれる場合には、光導体に使用する材料は、耐熱性が高いことが好ましい。更に、光の強度が大きい場合には、耐光性の高いことが好ましい。例えば、太陽光線を数百倍に集光した光を受光体に導くような用途においては、優れた耐光性が要求される。前述した樹脂材料を用いる場合には、紫外線吸収剤、光安定加剤、酸化防止剤等を混合することにより耐光性を向上させることが可能である。
【0032】
また、光の入射、出射の効率を高めるために、光導体の受光面および出射面には反射防止処理を施してもよい。特に光導体の屈折率が大きい場合には、これらの処理が重要である。反射防止の方法としては、公知の方法で設けることが可能である。例えば、通常の蒸着法、すなわち真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等が挙げられる。また、低屈折率な樹脂膜を設けてもよい。例えば、フッ素樹脂によるコーティングを行なう。また、光導体の入射表面を球状に加工することも可能である。
【0033】
(接合部材)
本発明における接合部材102は、光導体と受光体を接合するものである。本発明の接合部材は、以下に示す3つのいずれかの特徴的な形態を有する。
▲1▼光導体の下端面外周上の点aから接合部材への光の最大入射角をβとした場合に、該下端面外周上の点aから見て該下端面に対して90°−β以上の角で見とられる前記接続部材の側表面における法線と、光の進行方向との成す角γが90°以上180°以下である。
▲2▼受光体と同形状で且つ光導体よりも大きい。
▲3▼側表面が、光導体の下端面外周と受光体の受光面外周を最短距離で結ぶ直線で構成されている。
【0034】
接合部材の形状を上記▲1▼〜▲3▼のいずれかの形状にすることにより、接合部材に入射した光が接合部材の側表面に達した場合でも、反射により受光体方向へ導かれる。
【0035】
上記▲1▼の形態における光の経路を図16乃至図18を用いて説明する。図16は光接合構造の斜視図であり、図17は図16の上面から見た図であり、図18は図17のA−A’における断面図である。
【0036】
光導体601に入射した光は、透過もしくは光導体側面で反射し、受光体603へと導かれる。その中で、光導体601の下端面外周上の点aへ到達した光は、接合部材602へ入射し、接合部材602の側表面で反射し、受光体603へと導かれる。尚、接合部材602の側表面における光の反射は、接合部材と空気の屈折率の差を利用している。
【0037】
ここで、光導体601の屈折率をn、接合部材602の屈折率をn、光導体601の下端面外周上の点aへの光の入射角をα、点aから接合部材602への光の入射角をβとすれば、βとαにはnsinα=nsinβの関係がある。
【0038】
上記▲1▼の形態は、光導体601の下端面外周上の点aから見て該下端面に対して90°−β以上の角で見とられる接続部材の側表面、即ち図18に示す点bと点cの間の側表面における法線604と、光の進行方向605(光の進行方向とは、光導体と受光体との接続方向であり、通常、受光体の受光面に対して垂直な方向を指す。)との成す角γが90°以上180°以下であることを特徴としている。このような形態とすることにより、接合部材602に入射した光が接合部材の側表面に達した場合でも反射により受光体603方向へ確実に導かれる。一方、γが90°よりも小さい場合には、接合部材の側表面に達した光が外部へと透過してしまい、光のエネルギーの損失を生じてしまう。
【0039】
本発明において、接合部材は、光導体と同様に光の損失が低いことが好ましい。また、光導体との接触面での反射を防ぐために、接合部材の屈折率が、光導体の屈折率に近いことが好ましい。接合部材の屈折率nは、光導体の屈折率nに対し、n−0.1≦n≦n+0.1であることが好ましく、より好ましくはn−0.05≦n≦n+0.05である。nが1.5、nが1.45の場合にはおよそ0.3%の反射を生じるが、これは、他の部分での損失に比べ著しく小さいものである。
【0040】
更に、本発明に用いられる接合部材は、光導体と同様に、透過率が高く、耐熱性に優れ、高い耐光性を有することが好ましい。光導体と同様に紫外線吸収剤、光安定加剤、酸化防止剤等を混合することが可能である。具体的な材料としては、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。
【0041】
これらは、接着剤や粘着材のように光導体と受光体の接合時に塗布し硬化し、その後本発明の形状に成型したものや、あらかじめ本発明の形状に成型した弾性を有するシート部材等を用いることが可能である。特に本発明においては弾性を有するシート部材がより好ましく用いられる。
【0042】
以下に接合部材に接着剤もしくは粘着材を使用する場合、及び、弾性を有するシート部材を使用する場合についてそれぞれ述べる。
【0043】
接合部材として接着剤もしくは粘着剤を用い、光導体と受光体との接着、固定を行なう場合は、接着剤の硬化後に接着剤の形状をカッター等で成型する。粘着剤の場合、粘着後、粘着剤の形状をカッター等で成型すればよい。
【0044】
光導体および受光体との接着力や、粘着力が不十分である場合には、シランカップリング剤等の接着助剤を用いることや、光導体、受光体に易接着処理を施すことが好ましい。これらが接着剤である場合には、硬化に伴ってガス等の副生成物を発生しないことが好ましい。ガス等が発生する場合には、接合部材中に気泡残りを生じ、光の透過を妨げてしまう。また、硬化に際し、空気中の水分等を使用するものは、接着面積が大きい場合には、接着面の中心部まで水分等が十分に行き渡らず、硬化不良を生じる場合があるので注意を要する。
【0045】
弾性を有するシート部材は、本発明の接合部材の形状を実施するにあたり非常に有効である。弾性を有するシート部材は、予め所望の形状に成型しておくことで本発明の形状を容易に実現することが可能である。弾性を有するシート部材に粘着性や、接着性が無く、光導体と受光体を固定、保持できないものを使用する場合には、光導体と受光体を他の手段により機械的に固定しても良い。光導体と受光体を機械的に固定する場合に保持する部分は、光導体中を透過、反射する光の妨げにならないように注意を要する。
【0046】
本発明の弾性を有するシート部材の弾性とは、光導体、受光体に取り付けるときに、光導体および、受光体に傷、割れ、欠けを生じない程度のものである。また、弾性によって光導体、受光体の表面の凹凸に追従する程度のものである。接合部材が、光導体、受光体の表面に追従することで、光導体、受光体と弾性を有する部材の間に空気の層ができることを防ぐことができ、透過する光エネルギーの損失を抑えることが可能となる。更に、光導体、受光体の熱による膨張や収縮を吸収することができ、光導体と受光体を機械的に固定している場合でも、これらの熱膨張や収縮を吸収することが可能である。
【0047】
これら弾性を有するシート部材の具体的な弾性を示す数値としては、ASTMD 2240のデュロメータによる硬さが挙げられる。本発明で好適に用いられる弾性を有するシート材の硬さは、タイプ00 20以上、タイプA 70以下である。
【0048】
また、前記▲2▼の形態において、接合部材が受光体と同形状ということは、接合部材と受光体の接する面の形状が同様であり、寸法がそれぞれの製造上の誤差を含む程度異なることを意味する。厚さについては、考慮する必要は無い。例えば、受光体の受光面が12mm角の正方形である場合に接合部材の受光体に接する面が12±3mm角程度の正方形であることを言う。
【0049】
また、前記▲3▼の形態は、例えば図27に示すように、光導体904の下端面の外周と太陽電池素子(受光体)901の受光面の最外周を最短距離で結ぶ線に沿って接合部材905が成型されている形態である。
【0050】
(受光体)
本発明で用いられる受光体は、光を受けることにより電気的信号や、電力を出力するものである。具体的には、太陽電池素子等が挙げられる。
【0051】
本発明に好適に用いられる太陽電池素子としては、結晶シリコン系、GaAs、CdTe、CdS、CIS(CuInSe)等の化合物半導体系、等が挙げられる。太陽電池素子の出力を取り出す電極は、電極の影による入射光のロスを無くすために太陽電池素子の裏面に形成されていることが好ましい。また、入射光を有効に利用するために、光起電力素子の表面にテクスチャー構造を形成することが好ましい。
【0052】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0053】
〔実施例1〕
本実施例においては、評価用の集光型太陽電池モジュールとして図19乃至図21に示すようなレシーバーを作成した。図19はレシーバーの斜視図であり、図20は図19の上方から見た図であり、図21は図20のA−A’における断面図である。これらの図において、701は太陽電池素子、702は基板、703は冷却部材、704は光導体、705は接合部材、706は光導体固定治具である。
【0054】
先ず、本実施例のレシーバーの構成部材として用いた、太陽電池素子701、基板702、冷却部材703、光導体704、接合部材705、光導体固定治具706を説明する。
【0055】
(光起電力素子)
太陽電池素子701として、単結晶シリコンの光起電力素子(12×12×0.1mm)を用意した。
【0056】
(基板)
基板702として、銅/窒化アルミニウム/銅の三層積層構造の基板を用意した。各層の厚みは、0.3/0.635/0.25mmである。
【0057】
(冷却部材)
冷却部材703としてアルミニウム製ヒートシンクを用意した。
【0058】
(光導体)
光導体704として、ほう珪酸ガラス(11×11×50mm)のロッドを用意した。この光導体704の屈折率をnは1.458である。
【0059】
(接合部材)
接合部材705として12×12×0.1mmの直方体のシリコーン樹脂製シート部材を用意した。各面は平滑処理されており、12×0.1mmの面は12×12の面に対して垂直である。この接合部材705の屈折率をnは1.403である。
【0060】
(光導体固定治具)
光導体固定治具706として図に示した構造のものを用意した。
【0061】
以上の部材を以下の方法で組み立てた。
【0062】
まず、基板702上の所定の位置に半田ペーストを印刷し、光起電力素子701を所定の位置に載置した。これらをリフロー炉で加熱、その後冷却し、基板702と光起電力素子701を一体化した。
【0063】
次に、冷却部材703の所定の位置に熱伝導性接着剤(エポキシ系)を塗布し、基板702と光起電力素子701を一体化したものと貼り合わせ、熱風乾燥炉で60℃、1時間加熱硬化した。
【0064】
以上の作業を終了後、シミュレーターを用いて、25℃における電気的特性を測定した。測定時の光量は、太陽光線の250倍相当とした。
【0065】
最後に、光起電力素子701上に接合部材705を載置し、その上に光導体704を載せ、光導体固定治具706により光導体を固定した。
【0066】
続いて、得られたレシーバーを図22に示すフレネルレンズを用いた集光系にセットし、太陽電池モジュールを組み立てた。この時、フレネルレンズ801により入射した直達光はすべて、光導体704内で一度焦点を結び、光導体704内と接合部材405を通り光起電力素子701に入射した。尚フレネルレンズによる集光倍率は250倍とした。図8において、802は筐体、803は光導体を取り付けたレシーバーである。
【0067】
上記の集光系及びレシーバーを追尾装置に取り付け、集光型太陽電池モジュールを組み立てた。そして、得られた集光型太陽電池モジュールを以下の手法で評価した。
【0068】
(屋外曝露での変換効率の測定)
上記太陽電池モジュールを屋外に設置し、そこで光起電力素子の温度、太陽電池モジュールの変換効率を測定した。
【0069】
以上の測定結果を予め25℃の一定温度で光起電力素子単体を測定できるシミュレーターを用いて測定した結果と比較した。尚、測定値は、25℃での値に温度補正を行なった。結果は、予め測定したシミュレーターの測定値に対する相対値(%)として表1に示す。
【0070】
本実施例で作成した集光型太陽電池モジュールにおける光導体と受光体の光接合構造を図23に模式的に示す。本実施例においては、光導体704の下端面外周上の点aへの光の入射角αは45°に調整されている。また、点aから接合部材705への光の入射角βは47.3°であり、点aから見て光導体704の下端面に対して90°−β以上の角で見とられる接続部材705の側表面における法線707と、光の進行方向708との成す角γは90°である。
【0071】
〔実施例2〕
本実施例においては、評価用の集光型太陽電池モジュールとして、光導体の取り付け方法を変更した以外は実施例1と同様にして図24乃至図26に示すようなレシーバーを作成した。図24はレシーバーの斜視図であり、図25は図24の上方から見た図であり、図26は図25のA−A’における断面図である。これらの図において、901は太陽電池素子、902は基板、903は冷却部材、904は光導体、905は接合部材、906は光導体固定治具である。
【0072】
先ず、本実施例のレシーバーの構成部材として用いた、太陽電池素子901、基板902、冷却部材903、光導体904、接合部材905、光導体固定治具906を説明する。
【0073】
(太陽電池素子)
実施例1と同様なものを用意した。
【0074】
(基板)
実施例1と同様なものを用意した。
【0075】
(冷却部材)
実施例1と同様なものを用意した。
【0076】
(光導体)
実施例1と同様なものを用意した。
【0077】
(接合部材)
接合部材905として2液付加硬化型液状シリコーン樹脂を用意した。以上を、攪拌脱泡機を用いて5分間、混合し、脱泡した。この接合部材905の屈折率をnは1.403である。
【0078】
(光導体固定治具)
実施例1と同様なものを用意した。
【0079】
以上の部材を以下の方法で組み立てた。
【0080】
まず、基板902上の所定の位置に半田ペーストを印刷し、光起電力素子901を所定の位置に載置した。これらをリフロー炉で加熱、その後冷却し、基板902と光起電力素子901を一体化した。
【0081】
次に、冷却部材903の所定の位置に熱伝導性接着剤(エポキシ系)を塗布し、基板902と光起電力素子901を一体化したものと貼り合わせ、熱風乾燥炉で60℃、1時間加熱硬化した。
【0082】
以上の作業を終了後、シミュレーターを用いて、25℃における電気的特性を測定した。測定時の光量は、太陽光線の250倍相当とした。
【0083】
最後に、太陽電池素子901上に接合部材905を滴下し、その上に光導体904を載せ、光導体固定治具906により光導体を固定した。その後、真空デシケーター内で接合部材905の脱泡を行なった。更に、熱風乾燥炉に入れ、80℃30分間加熱を行ない接続部材905を硬化した。その後、はみ出した接合部材905の側面を、カッターナイフを用いて光導体904の下端面の外周と太陽電池素子901の受光面の最外周を最短距離で結ぶ線に沿って切断して成型した。
【0084】
得られたレシーバーを実施例1と同様な集光系にセットし、実施例1と同じ追尾装置に設置して集光型太陽電池モジュールを組み立てた。そして、得られた集光型太陽電池モジュールを実施例1と同様の手法で評価した。その評価結果を表1に示す。
【0085】
本実施例で作成した集光型太陽電池モジュールにおける光導体と受光体の光接合構造を図27に模式的に示す。本実施例においては、光導体904の下端面外周上の点aへの光の入射角αは45°に調整されている。また、点aから接合部材905への光の入射角βは47.3°であり、点aから見て光導体904の下端面に対して90°−β以上の角で見とられる接続部材905の側表面における法線907と、光の進行方向908との成す角γは174.3°である。
【0086】
〔比較例1〕
接合部材を用いない以外は実施例1と同様に集光型太陽電池モジュールを組み立てた。そして、得られた集光型太陽電池モジュールを実施例1と同様の手法で評価した。その評価結果を表1に示す。
【0087】
〔比較例2〕
本比較例は、評価用の集光型太陽電池モジュールとして、カッターナイフによる接合部材の成型工程を省いたこと以外は実施例2と同様にして図28乃至図30に示すようなレシーバーを作成した。図28はレシーバーの斜視図であり、図29は図28の上方から見た図であり、図30は図29のA−A’における断面図である。これらの図において、1001は太陽電池素子、1002は基板、1003は冷却部材、1004は光導体、1005は接合部材、1006は光導体固定治具であり、いずれも実施例2で用いたものと同様のものを用意した。
【0088】
以上の部材を以下の方法で組み立てた。
【0089】
まず、基板1002上の所定の位置に半田ペーストを印刷し、光起電力素子1001を所定の位置に載置した。これらをリフロー炉で加熱、その後冷却し、基板1002と光起電力素子1001を一体化した。
【0090】
次に、冷却部材1003の所定の位置に熱伝導性接着剤(エポキシ系)を塗布し、基板1002と光起電力素子1001を一体化したものと貼り合わせ、熱風乾燥炉で60℃、1時間加熱硬化した。
【0091】
以上の作業を終了後、シミュレーターを用いて、25℃における電気的特性を測定した。測定時の光量は、太陽光線の250倍相当とした。
【0092】
最後に、太陽電池素子1001上に接合部材1005を滴下し、その上に光導体1004を載せ、光導体固定治具1006により光導体を固定した。その後、真空デシケーター内で接合部材1005の脱泡を行なった。更に、熱風乾燥炉に入れ、80℃30分間加熱を行ない接続部材1005を硬化した。
【0093】
得られたレシーバーを実施例1と同様な集光系にセットし、実施例1と同じ追尾装置に設置設置して集光型太陽電池モジュールを組み立てた。そして、得られた集光型太陽電池モジュールを実施例1と同様の手法で評価した。その評価結果を表1に示す。
【0094】
本比較例においても光導体の下端面外周上の点への光の入射角αは45°に調整されており、点aから接合部材への光の入射角βは47.3°である。また、点aから見て光導体の下端面に対して90°−β以上の角で見とられる接続部材の側表面における法線と、光の進行方向との成す角γについては、90°未満の領域が広く存在した。
【0095】
【表1】

Figure 2004023012
【0096】
表1に示すように、本発明による光接合構造を有するレシーバーを用いた実施例1、2の集光型太陽電池モジュールは、比較例1、2の集光型太陽電池モジュールに比べて変換効率が5〜10%程度アップしており、本発明による光接合構造によれば光エネルギーの損失を小さく抑えることができることが証明された。
【0097】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導体と受光体の光接合構造によれば、光源から受光体への光の伝達において損失を小さく抑えることができ、特に光起電力素子が受光体である太陽電池モジュールにおいて光の損失を小さく抑え、変換効率を高めることができる。
【0098】
また、特に、接合部材として弾性を有するシート部材を用いた場合には、光導体と受光体の接合時に、光導体および受光体に何の損傷も与えず、且つ、接合部に気泡残り等を生じずに、本発明の接合部材の形状を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光接合構造の一例を模式的に示す斜視図である。
【図2】図1の光接合構造の上面図である。
【図3】図2のA−A’における断面図である。
【図4】従来の光接合構造の例を模式的に示す斜視図である。
【図5】図4の光接合構造の上面図である。
【図6】図5のA−A’における断面図である。
【図7】従来の光接合構造の別の例を模式的に示す斜視図である。
【図8】図7の光接合構造の上面図である。
【図9】図8のA−A’における断面図である。
【図10】従来の光接合構造の別の例を模式的に示す斜視図である。
【図11】図10の光接合構造の上面図である。
【図12】図11のA−A’における断面図である。
【図13】従来の光接合構造の別の例を模式的に示す斜視図である。
【図14】図11の光接合構造の上面図である。
【図15】図14のA−A’における断面図である。
【図16】本発明の光接合構造の一例を模式的に示す斜視図である。
【図17】図16の光接合構造の上面図である。
【図18】図17のA−A’における断面図である。
【図19】本発明の光接合構造を用いた実施例1のレシーバーを模式的に示す斜視図である。
【図20】図19のレシーバーの上面図である。
【図21】図20のA−A’における断面図である。
【図22】実施例1の集光型太陽電池モジュールの模式図である。
【図23】実施例1の光接合構造における光の伝達を説明するための断面模式図である。
【図24】本発明の光接合構造を用いた実施例2のレシーバーを模式的に示す斜視図である。
【図25】図24のレシーバーの上面図である。
【図26】図25のA−A’における断面図である。
【図27】実施例2の光接合構造における光の伝達を説明するための断面模式図である。
【図28】比較例2のレシーバーを模式的に示す斜視図である。
【図29】図28のレシーバーの上面図である。
【図30】図29のA−A’における断面図である。
【符号の説明】
101 光導体
102 接合部材
103 受光体
201 光導体
202 透明な接着剤
203 受光体
204 光
301 光導体
302 受光体
303 固定部材
304 光
401 光導体
402 光起電力素子
403 接合部材(充填材)
501 光導体
502 接合部材
503 受光体
504 光
601 光導体
602 接合部材
603 受光体
604 接続部材の側表面における法線
605 光の進行方向
701 太陽電池素子
702 基板
703 冷却部材
704 光導体
705 接合部材
706 光導体固定治具
707 接続部材の側表面における法線
708 光の進行方向
801 フレネルレンズ
802 筐体
803 光導体と受光体の光接合構造を持つレシーバー
901 太陽電池素子
902 基板
903 冷却部材
904 光導体
905 接合部材
906 光導体固定治具
907 接続部材の側表面における法線
908 光の進行方向
1001 太陽電池素子
1002 基板
1003 冷却部材
1004 光導体
1005 接合部材
1006 光導体固定治具[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a joint structure between a light guide and a photoreceptor. In particular, the present invention relates to a joint structure between a light guide and a photoconductor of a solar cell module using a solar cell element as a photoconductor.
[0002]
[Prior art]
At present, devices utilizing light are used in various places. For example, there are a device that controls an apparatus by obtaining an electric signal from a photoreceptor by light from a light source, and a device that obtains electric power by a photoreceptor, that is, a solar cell module. These devices often have a structure in which light from a light source is guided to a photoreceptor by a light guide or the like.
[0003]
An example of an optical junction structure between the light guide and the light receiving body is schematically shown in FIGS. FIG. 4 is a perspective view of the optical bonding structure, FIG. 5 is a view seen from the top of FIG. 4, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In this optical bonding structure, the light guide 201 and the photoreceptor 203 are directly bonded by a transparent adhesive 202, and light 204 (indicated by an arrow in FIG. 6) passes through the light guide and the adhesive. This is a structure in which light reaches the light receiving body. The light enters from the upper surface side of the light guide 201 and is guided to the light receiving body 203.
[0004]
Another example of the optical junction structure between the light guide and the photoreceptor is schematically shown in FIGS. FIG. 7 is a perspective view of the optical junction structure, FIG. 8 is a view as viewed from the top of FIG. 7, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In this optical bonding structure, each of the light guide 301 and the light receiving body 302 is mechanically fixed by a fixing member 303, and light 304 (indicated by an arrow in FIG. 9) passes through the light guide and the air. This is the structure that reaches the photoreceptor.
[0005]
In general, it is preferable that the light emitting surface of the light guide and the light receiving surface of the light receiving body have the same dimensions and shape to suppress loss of light energy transmission. However, in actuality, there are problems such as processing accuracy of the light guide and the light receiver, alignment accuracy of the light guide and the light receiver, and the like. If the dimensions and shape are the same, the light guide and the photoreceptor are shifted from each other due to positioning accuracy. As a result, transmission of light energy is lost.
[0006]
Therefore, in order to suppress such a loss of light energy, in advance, either the dimension of the light guide or the photoreceptor, the processing accuracy of the light guide and the photoreceptor, and the positioning precision of the light guide and the photoreceptor were expected. The dimensional shape is performed. The optical junction structure shown in FIGS. 4 and 7 is such that the size and shape of the photoreceptor are made larger in advance than the light exit surface of the light guide in consideration of the positioning accuracy.
[0007]
However, if the photoreceptor is a photovoltaic element, specifically, if it is a concentrating solar cell element, this alone does not solve the problem.
[0008]
For example, the optical junction structure shown in FIGS. 10 to 12 has the following problem. FIG. 10 is a perspective view of the optical bonding structure, FIG. 11 is a view seen from the top of FIG. 10, and FIG. 12 is a cross-sectional view taken along AA ′ of FIG.
[0009]
When the light exit surface of the light guide 401 is smaller than the light receiving surface of the photovoltaic element 402, a part where light is incident on the photovoltaic element is very weak, and the part hardly contributes to power generation. A useless portion is generated in the electromotive element. In this case, current concentration or the like may occur in a part of the photovoltaic element, and the internal structure of the photovoltaic element may be broken.
[0010]
In order to prevent this, it is conceivable to fill the space between the light emitting surface of the light guide 401 and the light receiving body 402 with the joining member 403. By providing the filler (joining member 403) between the photoreceptors, light emitted from the end face of the light guide can be confined in this portion.
[0011]
However, it has been found that significant transmission loss occurs in light energy depending on the shape of the side surface of the joining member. Such an example will be described with reference to FIGS. 13 is a perspective view of the optical bonding structure, FIG. 14 is a view from the top of FIG. 13, and FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
[0012]
When the light guide 501 and the light receiving body 503 are joined with the liquid adhesive 502, the structure of the joint between the light guide and the light receiving body may have a shape as shown in FIG. This is because the adhesive 502, which is a joining member, is excessive with respect to the distance between the light guide 501 and the light receiving body 503, so that the adhesive protrudes around the lower part of the light guide. In the case of such a shape, light 504 (indicated by an arrow in FIG. 15) from the light guide 501 leaks out of the joining member 502 and cannot reach the light receiving body 503.
[0013]
Conversely, if the adhesive is insufficient as shown in FIG. 6, the space between the light guide and the light receiving body cannot be filled, so that the light 204 does not enter the entire light receiving surface of the photovoltaic element. As a result, as in FIG. 12, there is a portion where the incidence of light is very weak on the photovoltaic element. Further, the light 204 leaks from the side portion because the side portion of the joining member rises. Therefore, light cannot be transmitted to the photoreceptor 203 properly.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when light from a light source is guided to a photoreceptor using a light guide, transmission of light energy is lost at a joint between the light guide and the photoreceptor.
[0015]
In view of the above circumstances, a main object of the present invention is to provide an optical junction structure capable of minimizing loss in transmitting light from a light source to a photoreceptor while relaxing alignment accuracy between a photoreceptor and a light guide. .
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the present invention that achieves the above object is as follows.
[0017]
That is, the present invention provides a light guide that receives light at an upper end face and irradiates light from a lower end face, a light receiving body that receives light emitted from the light guide, and a joining member that joins the light guide and the light receiving body In the optical joining structure consisting of, when the incident angle of light to the joining member from the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide is β, the lower end surface is viewed from the point a on the outer periphery of the lower end surface. On the other hand, an angle γ between a normal to the side surface of the connection member, which is seen at an angle of 90 ° −β or more, and the light traveling direction is 90 ° or more and 180 ° or less.
[0018]
In this case, the refractive index of the light guide is n l Where α is the incident angle of light on the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide, sin (90−α) = 1 / n l It is preferable to satisfy the following. Accordingly, it is possible to minimize the leakage of light from the joining member that joins the light guide and the photoreceptor to the outside.
[0019]
The present invention also provides a light guide that receives light at an upper end face and irradiates light from a lower end face, a light receiving body that receives light emitted from the light guide, and a joining member that joins the light guide and the light receiving body. The optical joining structure is characterized in that the joining member has the same shape as the photoreceptor and is larger than the light guide.
[0020]
Further, the present invention provides a light guide that receives light at an upper end face and irradiates light from a lower end face, a light receiving body that receives light emitted from the light guide, and a joining member that joins the light guide and the light receiving body. In the optical bonding structure described above, the side surface of the bonding member is configured by a straight line connecting the outer circumference of the lower end surface of the light guide and the outer circumference of the light receiving surface of the light receiving body at the shortest distance.
[0021]
In these optical junction structures of the present invention,
"The joining member is made of an elastic sheet member",
"The photoreceptor comprises a solar cell element",
"The light received by the light guide is light obtained by condensing sunlight."
Is preferred.
[0022]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, loss in the transmission of light from a light source to a photoreceptor can be suppressed small. In particular, in a solar cell module in which a photovoltaic element is a photoreceptor, light loss can be suppressed and conversion efficiency can be increased.
[0023]
In addition, since the joining member is formed of an elastic sheet member, the joining between the light guide and the light receiving member does not cause any damage to the light guide and the light receiving member, and no bubbles remain in the joining portion. Thus, the shape of the joining member of the present invention can be easily realized.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An example of the optical junction structure of the present invention is schematically shown in FIGS. FIG. 1 is a perspective view of the optical bonding structure, FIG. 2 is a view seen from the top of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In these figures, 101 is a light guide, 102 is a joining member, and 103 is a photoreceptor.
[0025]
Hereinafter, each component according to the present invention will be described in detail.
[0026]
(Light guide)
The light guide 101 of the present invention guides light to a light receiving body. Light received by the light guide and guided to the photoreceptor is direct light from a light source or light transmitted, refracted, reflected, or the like through some optical member. Examples of the light source include a laser, illumination, and the sun. The light transmitted, refracted, or reflected by any optical member includes light obtained by condensing the light from the light source by a lens or the like, light reflected by a reflecting mirror, and the like. The light is focused once immediately before the light incident surface of the light guide or in the light guide, and then is transmitted, refracted, reflected, etc. through the light guide and irradiated to the photoreceptor.
[0027]
In the present invention, known light guides can be used. Specifically, a light pipe or the like is used. It is preferable that these light guides can output the incident light with as little loss as possible. That is, when light is mainly transmitted through the light guide, the light guide is required to have high transmittance. The wavelength at which the transmittance needs to be high varies depending on the type of the photoreceptor. For example, when the photoreceptor is a solar cell element, the transmittance is preferably high at 300 nm to 1200 nm. The transmittance is preferably 95% or more, more preferably 98% or more.
[0028]
In addition, when light is transmitted while repeating reflection at the interface between the light guide and the outside or at the interface in the light guide, it is preferable that the total reflectance at the interface be high. In order to increase the total reflectance of the interface, it is necessary that the interface is as smooth and specular as possible. It is also important that dust and the like do not adhere to the interface. The total reflectance required in the present invention is preferably at least 99%, more preferably at least 99.9%.
[0029]
Examples of the light guide utilizing reflection include a light guide provided with a layer having a different refractive index on the outside. In the present invention, a light guide utilizing a difference in the refractive index between the light guide and air outside is preferable. This is because the difference between the refractive indices of the light guide and the outside air is very large, and thereby the angle of total reflection of the light incident into the light guide is widened. Therefore, the incident angle of the light incident on the incident surface of the light guide is broadened in the first place, so that more light can be used.
[0030]
In the present invention, as a material suitably used for the light guide, a material that can be used for so-called optical use is exemplified. For example, glass and resin materials can be used. Specific examples of the resin material include an acrylic resin, a polycarbonate resin, a polyester resin, a polyolefin resin, a norbornene-based resin, a silicone resin, and a fluororesin.
[0031]
When the transmitted light includes an infrared component, the material used for the light guide preferably has high heat resistance. Further, when the light intensity is high, it is preferable that the light resistance is high. For example, in applications where sunlight condensed several hundred times into a photoreceptor, excellent light resistance is required. When the above-mentioned resin material is used, light resistance can be improved by mixing an ultraviolet absorber, a light stabilizer, an antioxidant, and the like.
[0032]
Further, in order to increase the efficiency of light incidence and light emission, an anti-reflection treatment may be applied to the light receiving surface and the light emitting surface of the light guide. Especially when the refractive index of the light guide is large, these treatments are important. As a method for preventing reflection, a known method can be used. For example, a normal vapor deposition method, that is, vacuum vapor deposition, sputtering, ion plating, or the like can be used. Further, a resin film having a low refractive index may be provided. For example, coating with a fluororesin is performed. It is also possible to process the light incident surface of the light guide into a spherical shape.
[0033]
(Joining members)
The joining member 102 according to the present invention joins a light guide and a photoreceptor. The joining member of the present invention has any one of the following three characteristic forms.
{Circle around (1)} Assuming that the maximum incident angle of light on the joining member from the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide is β, 90 ° with respect to the lower end surface as viewed from the point a on the outer periphery of the lower end surface. An angle γ between a normal line on the side surface of the connection member, which is seen at an angle of β or more, and the light traveling direction is 90 ° or more and 180 ° or less.
(2) It has the same shape as the photoreceptor and is larger than the light guide.
(3) The side surface is formed by a straight line connecting the outer periphery of the lower end surface of the light guide and the outer periphery of the light receiving surface of the photoreceptor at the shortest distance.
[0034]
By setting the shape of the joining member to any one of the above (1) to (3), even when light incident on the joining member reaches the side surface of the joining member, the light is guided toward the photoreceptor by reflection.
[0035]
The light path in the above mode (1) will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a perspective view of the optical junction structure, FIG. 17 is a view as viewed from above in FIG. 16, and FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
[0036]
Light incident on the light guide 601 is transmitted or reflected on the side surface of the light guide, and guided to the light receiving body 603. Among them, the light that reaches the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide 601 enters the joining member 602, is reflected on the side surface of the joining member 602, and is guided to the light receiving body 603. The reflection of light on the side surface of the joining member 602 utilizes the difference in the refractive index between the joining member and air.
[0037]
Here, the refractive index of the light guide 601 is n l , The refractive index of the joining member 602 is n s If the incident angle of light to the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide 601 is α, and the incident angle of light from the point a to the joining member 602 is β, β and α are n l sinα = n s There is a relationship of sinβ.
[0038]
The form of (1) is a side surface of the connecting member which is seen at an angle of 90 ° -β or more with respect to the lower end surface when viewed from a point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide 601, that is, as shown in FIG. The normal 604 on the side surface between the point b and the point c and the light traveling direction 605 (the light traveling direction is the connection direction between the light guide and the photoreceptor. And the vertical direction.) Is 90 ° or more and 180 ° or less. With such a configuration, even when the light incident on the bonding member 602 reaches the side surface of the bonding member, the light is reliably guided toward the light receiving body 603 by reflection. On the other hand, if γ is smaller than 90 °, the light that has reached the side surface of the joining member is transmitted to the outside, causing a loss of light energy.
[0039]
In the present invention, it is preferable that the joint member has low light loss similarly to the light guide. Further, in order to prevent reflection at the contact surface with the light guide, it is preferable that the refractive index of the joining member is close to the refractive index of the light guide. Refractive index n of joining member s Is the refractive index n of the light guide l For n l −0.1 ≦ n s ≤n l +0.1, more preferably n l −0.05 ≦ n s ≤n l +0.05. n l Is 1.5, n s Is about 0.3%, which is significantly smaller than the losses elsewhere.
[0040]
Furthermore, the joining member used in the present invention preferably has high transmittance, excellent heat resistance, and high light resistance, similarly to the light guide. As with the light guide, it is possible to mix an ultraviolet absorber, a light stabilizer, an antioxidant, and the like. Specific examples of the material include a silicone resin and a fluorine resin.
[0041]
These are applied and cured at the time of joining a light guide and a photoreceptor, such as an adhesive or an adhesive, and then molded into the shape of the present invention or an elastic sheet member previously molded into the shape of the present invention. It can be used. Particularly, in the present invention, a sheet member having elasticity is more preferably used.
[0042]
Hereinafter, a case where an adhesive or a pressure-sensitive adhesive is used for the joining member and a case where an elastic sheet member is used will be described.
[0043]
When an adhesive or a pressure-sensitive adhesive is used as a joining member to bond and fix the light guide and the photoreceptor, the shape of the adhesive is molded with a cutter or the like after the adhesive is cured. In the case of an adhesive, after the adhesion, the shape of the adhesive may be molded with a cutter or the like.
[0044]
When the adhesive strength between the light guide and the photoreceptor or the adhesive strength is insufficient, it is preferable to use an adhesion aid such as a silane coupling agent or to apply an easy adhesion treatment to the light guide or the photoreceptor. . When these are adhesives, it is preferable that by-products such as gas are not generated with curing. When gas or the like is generated, air bubbles remain in the joining member, and light transmission is hindered. In the case of using the moisture or the like in the air at the time of curing, when the bonding area is large, the moisture or the like does not sufficiently reach the center of the bonding surface, and care may be required because curing may occur.
[0045]
An elastic sheet member is very effective in implementing the shape of the joining member of the present invention. The shape of the present invention can be easily realized by molding the elastic sheet member into a desired shape in advance. If the sheet member having elasticity has no tackiness or adhesiveness, and the light guide and the photoreceptor cannot be fixed and used, the light guide and the photoreceptor may be mechanically fixed by other means. good. Care must be taken to ensure that the portion that holds the optical waveguide and the photoreceptor when they are mechanically fixed does not hinder the light transmitted and reflected in the optical waveguide.
[0046]
The elasticity of the sheet member having elasticity according to the present invention is such that the light guide and the photoreceptor are not damaged, cracked or chipped when attached to the light guide or the photoreceptor. Further, it is of such a degree that it follows irregularities on the surfaces of the light guide and the photoreceptor by elasticity. The joining member follows the surface of the light guide and the photoreceptor, thereby preventing a layer of air from being formed between the light guide and the photoreceptor and the elastic member, and suppressing loss of transmitted light energy. Becomes possible. Furthermore, it is possible to absorb expansion and contraction of the light guide and the photoreceptor due to heat, and it is possible to absorb these thermal expansions and contractions even when the light guide and the photoreceptor are mechanically fixed. .
[0047]
As a numerical value indicating a specific elasticity of the sheet member having such elasticity, there is a durometer of ASTM D2240. The hardness of the elastic sheet material suitably used in the present invention is a type 0020 or more and a type A 70 or less.
[0048]
Further, in the above mode (2), the fact that the joining member has the same shape as the photoreceptor means that the shape of the contact surface between the joining member and the photoreceptor is the same, and the dimensions are different to the extent that each includes a manufacturing error. Means There is no need to consider the thickness. For example, when the light receiving surface of the photoreceptor is a square of 12 mm square, the surface of the joining member in contact with the photoreceptor is a square of about 12 ± 3 mm square.
[0049]
In addition, the form of (3) is, for example, as shown in FIG. 27, along a line connecting the outer periphery of the lower end surface of the light guide 904 and the outermost periphery of the light receiving surface of the solar cell element (photoreceptor) 901 at the shortest distance. This is a form in which the joining member 905 is molded.
[0050]
(Photoreceptor)
The photoreceptor used in the present invention outputs an electric signal or electric power by receiving light. Specific examples include a solar cell element.
[0051]
Examples of the solar cell element suitably used in the present invention include a crystalline silicon type, a compound semiconductor type such as GaAs, CdTe, CdS, and CIS (CuInSe). The electrode for extracting the output of the solar cell element is preferably formed on the back surface of the solar cell element in order to eliminate the loss of incident light due to the shadow of the electrode. In order to effectively use incident light, it is preferable to form a texture structure on the surface of the photovoltaic element.
[0052]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[0053]
[Example 1]
In this example, receivers as shown in FIGS. 19 to 21 were prepared as concentrating solar cell modules for evaluation. FIG. 19 is a perspective view of the receiver, FIG. 20 is a view seen from above in FIG. 19, and FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. In these figures, 701 is a solar cell element, 702 is a substrate, 703 is a cooling member, 704 is a light guide, 705 is a joining member, and 706 is a light guide fixing jig.
[0054]
First, a solar cell element 701, a substrate 702, a cooling member 703, a light conductor 704, a joining member 705, and a light conductor fixing jig 706 used as components of the receiver of this embodiment will be described.
[0055]
(Photovoltaic element)
As the solar cell element 701, a single-crystal silicon photovoltaic element (12 × 12 × 0.1 mm) was prepared.
[0056]
(substrate)
As the substrate 702, a substrate having a three-layer structure of copper / aluminum nitride / copper was prepared. The thickness of each layer is 0.3 / 0.635 / 0.25 mm.
[0057]
(Cooling member)
An aluminum heat sink was prepared as the cooling member 703.
[0058]
(Light guide)
A rod made of borosilicate glass (11 × 11 × 50 mm) was prepared as the light guide 704. The refractive index of this light guide 704 is n l Is 1.458.
[0059]
(Joining members)
A 12 × 12 × 0.1 mm rectangular parallelepiped silicone resin sheet member was prepared as the joining member 705. Each surface has been smoothed, and the 12 × 0.1 mm surface is perpendicular to the 12 × 12 surface. Let the refractive index of this joining member 705 be n s Is 1.403.
[0060]
(Light guide fixing jig)
A light guide fixing jig 706 having the structure shown in the figure was prepared.
[0061]
The above members were assembled by the following method.
[0062]
First, a solder paste was printed on a predetermined position on the substrate 702, and the photovoltaic element 701 was mounted on the predetermined position. These were heated in a reflow furnace and then cooled, and the substrate 702 and the photovoltaic element 701 were integrated.
[0063]
Next, a heat conductive adhesive (epoxy-based) is applied to a predetermined position of the cooling member 703, and is bonded to the substrate 702 and the integrated photovoltaic element 701. Heat cured.
[0064]
After the above operation was completed, electrical characteristics at 25 ° C. were measured using a simulator. The amount of light at the time of the measurement was equivalent to 250 times the sunlight.
[0065]
Finally, the joining member 705 was placed on the photovoltaic element 701, the light guide 704 was placed thereon, and the light guide was fixed by the light guide fixing jig 706.
[0066]
Subsequently, the obtained receiver was set in a light collecting system using a Fresnel lens shown in FIG. 22, and a solar cell module was assembled. At this time, all the direct light incident by the Fresnel lens 801 was once focused in the light guide 704, passed through the light guide 704 and the bonding member 405, and was incident on the photovoltaic element 701. The light collection magnification by the Fresnel lens was 250 times. In FIG. 8, reference numeral 802 denotes a housing, and 803 denotes a receiver to which a light guide is attached.
[0067]
The above condensing system and receiver were attached to a tracking device, and a concentrating solar cell module was assembled. Then, the obtained concentrating solar cell module was evaluated by the following method.
[0068]
(Measurement of conversion efficiency in outdoor exposure)
The solar cell module was installed outdoors, and the temperature of the photovoltaic element and the conversion efficiency of the solar cell module were measured there.
[0069]
The above measurement results were compared with the results previously measured using a simulator capable of measuring a single photovoltaic element at a constant temperature of 25 ° C. In addition, the measured value was subjected to temperature correction to a value at 25 ° C. The results are shown in Table 1 as relative values (%) with respect to the previously measured values of the simulator.
[0070]
FIG. 23 schematically shows an optical junction structure between a light guide and a photoreceptor in the concentrating solar cell module prepared in this example. In this embodiment, the incident angle α of the light to the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide 704 is adjusted to 45 °. The incident angle β of the light from the point a to the joining member 705 is 47.3 °, and the connecting member seen from the point a at an angle of 90 ° −β or more with respect to the lower end surface of the light guide 704. The angle γ between the normal 707 on the side surface of 705 and the light traveling direction 708 is 90 °.
[0071]
[Example 2]
In this example, as the concentrating solar cell module for evaluation, a receiver as shown in FIGS. 24 to 26 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the method of attaching the light guide was changed. 24 is a perspective view of the receiver, FIG. 25 is a view seen from above FIG. 24, and FIG. 26 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In these figures, 901 is a solar cell element, 902 is a substrate, 903 is a cooling member, 904 is a light guide, 905 is a joining member, and 906 is a light guide fixing jig.
[0072]
First, a solar cell element 901, a substrate 902, a cooling member 903, a light conductor 904, a joining member 905, and a light conductor fixing jig 906 used as components of the receiver of the present embodiment will be described.
[0073]
(Solar cell element)
The same one as in Example 1 was prepared.
[0074]
(substrate)
The same one as in Example 1 was prepared.
[0075]
(Cooling member)
The same one as in Example 1 was prepared.
[0076]
(Light guide)
The same one as in Example 1 was prepared.
[0077]
(Joining members)
A two-component addition-curable liquid silicone resin was prepared as the joining member 905. The above was mixed and defoamed for 5 minutes using a stirring and defoaming machine. Let the refractive index of this joining member 905 be n s Is 1.403.
[0078]
(Light guide fixing jig)
The same one as in Example 1 was prepared.
[0079]
The above members were assembled by the following method.
[0080]
First, a solder paste was printed on a predetermined position on the substrate 902, and the photovoltaic element 901 was mounted on the predetermined position. These were heated in a reflow furnace and then cooled, and the substrate 902 and the photovoltaic element 901 were integrated.
[0081]
Next, a heat conductive adhesive (epoxy type) is applied to a predetermined position of the cooling member 903, and is bonded to a substrate 902 and a photovoltaic element 901 integrated with each other. Heat cured.
[0082]
After the above operation was completed, electrical characteristics at 25 ° C. were measured using a simulator. The amount of light at the time of the measurement was equivalent to 250 times the sunlight.
[0083]
Finally, the joining member 905 was dropped on the solar cell element 901, the light guide 904 was placed thereon, and the light guide was fixed by the light guide fixing jig 906. Thereafter, the bonding member 905 was defoamed in a vacuum desiccator. Further, the connection member 905 was placed in a hot air drying furnace and heated at 80 ° C. for 30 minutes to cure the connection member 905. Thereafter, the protruding side surface of the joining member 905 was cut and molded using a cutter knife along a line connecting the outer periphery of the lower end surface of the light guide 904 and the outermost periphery of the light receiving surface of the solar cell element 901 at the shortest distance.
[0084]
The obtained receiver was set in the same condensing system as in Example 1, and was installed in the same tracking device as in Example 1 to assemble a concentrating solar cell module. Then, the obtained concentrating solar cell module was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the evaluation results.
[0085]
FIG. 27 schematically shows an optical junction structure of a light guide and a photoreceptor in the concentrating solar cell module prepared in this example. In this embodiment, the incident angle α of the light to the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide 904 is adjusted to 45 °. The incident angle β of the light from the point a to the joining member 905 is 47.3 °, and the connecting member seen from the point a at an angle of 90 ° −β or more with respect to the lower end surface of the light guide 904. The angle γ between the normal 907 on the side surface of the light source 905 and the light traveling direction 908 is 174.3 °.
[0086]
[Comparative Example 1]
A concentrating solar cell module was assembled in the same manner as in Example 1 except that no joining member was used. Then, the obtained concentrating solar cell module was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the evaluation results.
[0087]
[Comparative Example 2]
In this comparative example, as a concentrating solar cell module for evaluation, a receiver as shown in FIGS. 28 to 30 was prepared in the same manner as in Example 2 except that the step of molding the joining member using a cutter knife was omitted. . FIG. 28 is a perspective view of the receiver, FIG. 29 is a view seen from above in FIG. 28, and FIG. 30 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In these figures, 1001 is a solar cell element, 1002 is a substrate, 1003 is a cooling member, 1004 is a light guide, 1005 is a joining member, and 1006 is a light guide fixing jig, all of which are used in Example 2. The same thing was prepared.
[0088]
The above members were assembled by the following method.
[0089]
First, a solder paste was printed on a predetermined position on the substrate 1002, and the photovoltaic element 1001 was mounted on the predetermined position. These were heated in a reflow furnace and then cooled, and the substrate 1002 and the photovoltaic element 1001 were integrated.
[0090]
Next, a heat conductive adhesive (epoxy type) is applied to a predetermined position of the cooling member 1003, and is bonded to a substrate 1002 and a photovoltaic element 1001 which are integrated with each other. Heat cured.
[0091]
After the above operation was completed, electrical characteristics at 25 ° C. were measured using a simulator. The amount of light at the time of the measurement was equivalent to 250 times the sunlight.
[0092]
Finally, the joining member 1005 was dropped on the solar cell element 1001, the light guide 1004 was placed thereon, and the light guide was fixed by the light guide fixing jig 1006. Thereafter, the bonding member 1005 was defoamed in a vacuum desiccator. Further, the connection member 1005 was placed in a hot air drying furnace and heated at 80 ° C. for 30 minutes to cure the connection member 1005.
[0093]
The obtained receiver was set in the same condensing system as in Example 1, and was installed and installed in the same tracking device as in Example 1 to assemble a concentrating solar cell module. Then, the obtained concentrating solar cell module was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the evaluation results.
[0094]
Also in this comparative example, the incident angle α of the light to the point on the outer periphery of the lower end surface of the light guide is adjusted to 45 °, and the incident angle β of the light from the point a to the joining member is 47.3 °. The angle γ between the normal to the side surface of the connecting member, which is seen at an angle of 90 ° −β or more with respect to the lower end surface of the light guide when viewed from the point a, and the traveling direction of light is 90 °. The area of less than was widely present.
[0095]
[Table 1]
Figure 2004023012
[0096]
As shown in Table 1, the concentrating solar cell modules of Examples 1 and 2 using the receiver having the optical junction structure according to the present invention have higher conversion efficiency than the concentrating solar cell modules of Comparative Examples 1 and 2. Is increased by about 5 to 10%, and it has been proved that the optical junction structure according to the present invention can suppress the loss of light energy.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical junction structure of the light guide and the photoreceptor of the present invention, it is possible to reduce the loss in transmitting light from the light source to the photoreceptor, and in particular, the photovoltaic element is the photoreceptor. In the solar cell module, light loss can be suppressed and conversion efficiency can be increased.
[0098]
In particular, when an elastic sheet member is used as the joining member, no damage is caused to the light guide and the photoreceptor at the time of joining the light guide and the photoreceptor, and air bubbles and the like remain at the joint. Without this, it is possible to easily realize the shape of the joining member of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing one example of an optical junction structure of the present invention.
FIG. 2 is a top view of the optical junction structure of FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2;
FIG. 4 is a perspective view schematically showing an example of a conventional optical junction structure.
FIG. 5 is a top view of the optical junction structure of FIG.
FIG. 6 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5;
FIG. 7 is a perspective view schematically showing another example of the conventional optical junction structure.
FIG. 8 is a top view of the optical junction structure of FIG. 7;
FIG. 9 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 10 is a perspective view schematically showing another example of the conventional optical junction structure.
11 is a top view of the optical junction structure of FIG.
FIG. 12 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 11;
FIG. 13 is a perspective view schematically showing another example of the conventional optical junction structure.
FIG. 14 is a top view of the optical junction structure of FIG. 11;
FIG. 15 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 16 is a perspective view schematically showing one example of the optical junction structure of the present invention.
FIG. 17 is a top view of the optical junction structure of FIG. 16;
18 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 19 is a perspective view schematically showing a receiver of Example 1 using the optical junction structure of the present invention.
FIG. 20 is a top view of the receiver of FIG.
21 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 22 is a schematic diagram of the concentrating solar cell module of Example 1.
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view for explaining light transmission in the optical junction structure of Example 1.
FIG. 24 is a perspective view schematically showing a receiver of Example 2 using the optical junction structure of the present invention.
FIG. 25 is a top view of the receiver of FIG. 24.
FIG. 26 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 25.
FIG. 27 is a schematic cross-sectional view for explaining light transmission in the optical junction structure of Example 2.
FIG. 28 is a perspective view schematically showing a receiver of Comparative Example 2.
FIG. 29 is a top view of the receiver of FIG. 28.
30 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 29.
[Explanation of symbols]
101 Light guide
102 joining members
103 photoreceptor
201 Light guide
202 Transparent adhesive
203 photoreceptor
204 light
301 light guide
302 photoreceptor
303 fixing member
304 light
401 light guide
402 Photovoltaic element
403 Joining member (filler)
501 light guide
502 joining members
503 photoreceptor
504 light
601 light guide
602 joining member
603 photoreceptor
604 normal on side surface of connecting member
605 Light traveling direction
701 Solar cell element
702 substrate
703 Cooling member
704 light guide
705 Joining member
706 Light guide fixing jig
707 Normal on the side surface of the connecting member
708 Light traveling direction
801 Fresnel lens
802 enclosure
803 Receiver with optical junction structure of light guide and photoreceptor
901 solar cell element
902 substrate
903 Cooling member
904 light guide
905 joining member
906 Light guide fixing jig
907 Normal on side surface of connecting member
908 Light traveling direction
1001 Solar cell element
1002 substrate
1003 Cooling member
1004 light guide
1005 Joining member
1006 Light guide fixing jig

Claims (7)

上端面で光を受け、下端面から光を照射する光導体と、該光導体から照射された光を受ける受光体と、該光導体と該受光体を接合する接合部材からなる光接合構造において、
前記光導体の下端面外周上の点aから前記接合部材への光の入射角をβとした場合に、該下端面外周上の点aから見て該下端面に対して90°−β以上の角で見とられる前記接続部材の側表面における法線と、光の進行方向との成す角γが90°以上180°以下であることを特徴とする光接合構造。
A light guide that receives light at an upper end face and irradiates light from a lower end face, a light receiving body that receives light irradiated from the light guide, and a bonding member that bonds the light guide and the light receiving body. ,
When the incident angle of light to the joining member from the point a on the outer periphery of the lower end surface of the light guide is β, 90 ° -β or more with respect to the lower end surface as viewed from the point a on the outer periphery of the lower end surface An angle γ formed between a normal to the side surface of the connecting member and a traveling direction of light, which is seen at a corner, is 90 ° or more and 180 ° or less.
前記光導体の屈折率をnとし、前記光導体の下端面外周上の点aへの光の入射角をαとした場合に、sin(90−α)=1/nを満たすことを特徴とする請求項1に記載の光接合構造。The refractive index of the light guide and n l, the angle of incidence of the light on the a point on the lower end face the outer circumference of the light guide when the alpha, that satisfy sin (90-α) = 1 / n l The optical junction structure according to claim 1, wherein: 上端面で光を受け、下端面から光を照射する光導体と、該光導体から照射された光を受ける受光体と、該光導体と該受光体を接合する接合部材からなる光接合構造において、
前記接合部材が、前記受光体と同形状で且つ前記光導体よりも大きいことを特徴とする光接合構造。
A light guide that receives light at an upper end face and irradiates light from a lower end face, a light receiving body that receives light irradiated from the light guide, and a bonding member that bonds the light guide and the light receiving body. ,
The optical joining structure, wherein the joining member has the same shape as the light receiving body and is larger than the light guide.
上端面で光を受け、下端面から光を照射する光導体と、該光導体から照射された光を受ける受光体と、該光導体と該受光体を接合する接合部材からなる光接合構造において、
前記接合部材の側表面が、前記光導体の下端面外周と前記受光体の受光面外周を最短距離で結ぶ直線で構成されていることを特徴とする光接合構造。
A light guide that receives light at an upper end face and irradiates light from a lower end face, a light receiving body that receives light irradiated from the light guide, and a bonding member that bonds the light guide and the light receiving body. ,
An optical joining structure, wherein a side surface of the joining member is formed by a straight line connecting an outer periphery of a lower end surface of the light guide and an outer periphery of a light receiving surface of the light receiving body at a shortest distance.
前記接合部材が弾性を有するシート部材からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光接合構造。The optical joining structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the joining member is made of an elastic sheet member. 前記受光体が太陽電池素子からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光接合構造。The optical junction structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the photoreceptor comprises a solar cell element. 前記光導体の受光する光が太陽光線を集光した光であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光接合構造。The optical junction structure according to claim 1, wherein the light received by the light guide is light obtained by condensing sunlight.
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JP2015009260A (en) * 2013-06-28 2015-01-19 株式会社クリスタルシステム Manufacturing method of tubular member casting plate

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