JP2005217357A - 立体構造太陽電池及び立体構造太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率が高く、太陽電池の入射方向に対する指向性が低く、日中長時間にわたって高出力の発電が可能で、耐候性に優れ、低コストで製造可能な立体構造太陽電池とそのモジュールを提供する。
【解決手段】球状の受光面を有する複数の球状光電変換素子２を、太陽電池の少なくとも一部の波長の光に対して透明な材料からなり外側へ凸の凸曲面をを有する中実の集光部材３内に配置し、複数の球状光電変換素子２を直並列にマトリックス接続した。半球状の集光部材３はエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂などの何れかで構成され、赤道面にはガラスエポキシ基板５が組み込まれ、複数の球状光電変換素子２が銅パターン６と銅線７を介して電気的に接続されている。集光部材３の屈折率が大きいため光閉じ込め作用により光電変換効率を高めることができる。集光部材は種々の形状のものを採用できる。【選択図】 図１

Description

本発明は、光電変換により電力を発生する立体構造太陽電池及び立体構造太陽電池モジュールに関するものである。

従来、太陽電池として、バルク形や薄膜形の種々のものが考案されてきた。バルク形とは、単結晶Ｓｉ、キャストＳｉのように、一旦バルク状結晶を製造し、これをスライス加工して厚い板状の半導体とし、太陽電池として用いたものである。一方、薄膜形とは、半導体層が数１０μｍ〜数μｍ以下の厚さの太陽電池である。

半導体材料としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰに代表されるIII−V族半導体や、ＣｄＴｅに代
表されるII−VI族半導体、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ２、ＣｕＩｎ（ＳＳｅ
）２に代表されるカルコパイライト系材料などの化合物半導体も注目されているが、製造コストが高いことなどの理由からいまだＳｉが主流である。構造の面から言えば、通常のシングル接合型太陽電池にとどまらず、禁制帯幅の異なる太陽電池を組み合わせた多接合太陽電池構造についても検討がなされ、高い光電変換効率が報告されている。

多接合太陽電池構造に関する従来技術としては、例えば、特許文献１には、非晶質Ｓｉを活性層とした光電変換素子と、非晶質Ｓｉと比較してエネルギーギャップの小さな多結晶Ｓｉを活性層とした光電変換素子とを積層した多接合太陽電池が提案されている。さらに、特許文献２には、積層した複数のｐｉｎ型光電変換素子の境界において、下側の層が低屈折率となるようにして境界での反射を増し光電変換効率の向上を図った多接合太陽電池が提案されている。

特開平１−２８９１７３号公報（全頁、第１図〜第４図） 特開２００２−７６３９６号公報（全頁、図１〜図５）

しかし、特許文献１，２に記載されたような薄膜積層形の多接合型太陽電池では、欠陥の少ない良質な半導体薄膜を形成するために、条件を厳密に制御された薄膜成長方法を繰り返し用いる必要があるため、製造コストの低減が難しい。

しかも、特許文献１，２に記載の太陽電池は受光面が平面であるため、太陽光の入射方向に対して指向性が強く、出力が太陽光の入射角度に強く依存するという欠点があった。 例えば、特許文献１，２の太陽電池を屋外に設置した場合、昼間の間、常に高出力の発電をすることができるわけではなく、太陽光が太陽電池に小さな入射角で略垂直に入射する数時間しか高出力の発電をすることができない。また、こうした平板太陽電池は屋外の環境に暴露しても安定した出力が得られるようにバックフィルムと強化ガラスではさみ、その間をエチレンビニルアセテート等の封止剤で封止するなどの処理が必要とされる。

本発明の目的は、光電変換効率が高く、太陽光の入射方向に対する指向性が低く、日中長時間にわたって高出力の発電が可能で、耐候性に優れ、低コストで製造可能な立体構造太陽電池とそのモジュールを提供することである。

請求項１の立体構造太陽電池は、球状の受光面を有する複数の球状光電変換素子を、太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明な材料からなり外側へ凸の１次又は２次の凸曲面を有する中実の集光部材内に配置し、複数の球状光電変換素子を電気的に接続したことを特徴とするものである。

この立体構造太陽電池によれば、太陽光が立体構造太陽電池に進入すると、その太陽光の少なくとも一部の波長の光が集光部材を構成する透明な材料内を伝播する。球状光電変換素子に達した光は、一部はその表面で反射されて再び集光部材内を伝播するが、球状光電変換素子内に進入した光のうち球状光電変換素子に吸収されたものの一部が発電に寄与し、他は熱に変わる。球状光電変換素子内に入射した光のうち吸収されなかったものは、素子から集光部材内へ再び放射されて集光部材内を伝播する。前記集光部材内を伝播する光の内、集光部材の表面に達した光は、その一部が集光部材の表面を透過し大気中に放射される。透過しなかった光は、集光部材の表面で反射され、再び透明な集光部材内を伝播する。

一般に集光部材を構成する透明な材料の屈折率は空気の屈折率１．００よりも大きい。そのため、集光部材内を伝播する光が集光部材と空気との境界に達したとき、その光がすべて反射（全反射）するか、一部が空気中へ透過するかは、前記界面への光の入射角によって決まる。その両者を分ける限界の角度は臨界角と呼ばれ、空気と集光部材との屈折率の比によって定まる。前記集光部材の屈折率が空気の屈折率に比べ大きいほど臨界角は小さくなり、全反射される光が増え、一旦集光部材内に進入した光は大気中に戻りにくくなる。所謂光の閉じ込め効果が生じる。

閉じ込められた光は、集光部材の１次又は２次の凸曲面からなる表面で反射を繰り返すうちに光電変換素子に達し、その一部が発電に寄与する。しかし、集光部材内を伝播する光も、その一部が集光部材に吸収され減衰することを考慮すると、集光部材内へ進入した光は集光部材の表面で繰り返し反射するのではなく、極力早期に球状光電変換素子に直接達するのが好ましい。

前記集光部材を球体、部分球体、回転楕円体、部分回転楕円体などレンズ機能のある凸曲面を有する構造にすることも可能であり、レンズの焦点付近に複数の球状光電変換素子を配置することも可能であり、その場合、集光部材のレンズ機能（集光機能）により進入光を集光し、レンズの焦点付近に配置した球状光電変換素子の発電量を増し、光電変換効率の高い発電を行なうことが可能となる。

さらに、集光部材が球体、部分球体、回転楕円体、部分回転楕円体の何れかの形状を有する場合、種々の太陽光入射方向に対してほぼ等しい受光面積を持つことになる。また、球状光電変換素子の受光面が球面であるので、光電変換素子への入射光の入射角度に依存せず等しい受光面積を持つ。こうして、入射方向に対する指向性の低い太陽電池が実現することが可能となり、この立体構造太陽電池により、太陽光の入射方向によらず、日中の長い時間にわたって高出力の発電を行なうことができる。

さらに、複数の球状光電変換素子が集光部材を構成する透明な材料の中に配置されているため耐候性に優れる。従来の平板型太陽電池においては、例えば、太陽電池モジュールをバックフィルムと強化ガラスで挟み、その間にＥＶＡのような封止樹脂を充填するなどの構造が採用されている。本発明の立体構造太陽電池は、平板型の太陽電池のように高価な部材を用いる代わりに、安価な材料を用い、簡便な構造の、屋外でも安定した出力を得られる耐候性に優れた太陽電池を提供できる。

さらに、この立体構造太陽電池は、平板型薄膜太陽電池、とくに多接合型太陽電池のような、条件を厳密に制御した薄膜成長技術を用いる必要がない。そのため、本発明の集光可能な太陽電池は低コストで製造可能である。また、前記集光部材を構成する透明な材料としては、成型の容易さに鑑みてガラスなどの高融点の材料より、低温で成型できる合成樹脂等が望ましい。

集光部材内の複数の球状光電変換素子は電気的に接続されるが、直列接続される球状光電変換素子の数を適宜変えることによって、球状光電変換素子１個の電圧（基準値）の整数倍の所望の出力電圧を発生させることができる。さらに、並列接続される球状光電変換素子の数を適宜変えることによって、球状光電変換素子１個の電流（基準値）の整数倍の所望の出力電流を発生させることができる。すなわち、この太陽電池は、出力電圧及び出力電流を、必要に応じて基準値の整数倍の中から任意に設定できるという利点がある。

この立体構造太陽電池は、特許文献１，２に開示された積層の概念とは全く異なり、前記集光部材によって集光され、または繰り返し反射によって前記透明な材料からなる集光部材内に閉じ込められた光が球状光電変換素子に達して発電に寄与するものである。さらに、前記球状光電変換素子を内部に備え、前記透明な材料を用いて集光部材を成型することにより、煩雑な薄膜成長プロセスを繰り返し行なうことなく、簡単な製造方法で高い光電変換効率の太陽電池を容易に製作することができ、製造コスト的に有利な太陽電池を実現することができる。

請求項２の立体構造太陽電池は、請求項１の発明において、前記集光部材が、球体、部分球体、回転楕円体、部分回転楕円体のうちの何れかの形状を有することを特徴とするものである。前記集光部材が球体、部分球体、回転楕円体、部分回転楕円体の何れかの形状を有するため、種々の太陽光入射方向に対してほぼ等しい受光面積を持つ。そして、球状光電変換素子の受光面が球面であるので、光電変換素子への入射光の入射角度に依存せず等しい受光面積を持つ。そのため、入射方向に対する指向性の低い太陽電池が実現する。

請求項３の立体構造太陽電池は、請求項１又は２の発明において、前記複数の球状光電変換素子のうちの少なくとも一部の球状光電変換素子が、太陽光の入射方向によってはその入射方向から視て上下に離隔して位置する状態に立体的に配置されていることを特徴とするものである。このような立体構造により、レンズ機能のある集光部材の焦点付近に一部の球状光電変換素子を配置でき、より高い光電変換効率を得ることができる。

請求項４の立体構造太陽電池は、請求項１〜３の何れかの発明において、前記複数の球状光電変換素子のうちの少なくとも一部の球状光電変換素子においては、隣接する球状光電変換素子の中心間距離が球状光電変換素子直径の２倍以下であることを特徴とするものである。直径の２倍以下の距離に配置された球状光電変換素子は、互いの表面からの反射光を受け、光電変換効率の高い発電を実現できる。

請求項５の立体構造太陽電池は、請求項１〜３の何れかの発明において、太陽光の入射方向が所定入射方向である場合に、複数の球状光電変換素子の重なり合いを無視した全投影面積が、前記入射方向に対する集光部材の受光面積以上であることを特徴とするものである。この立体構造太陽電池は、複数の球状光電変換素子を集光部材内に立体的に配置することにより、前記全投影面積が集光部材の受光面積以上にし、この受光面積以上の実効受光面積を持つようにしたものであり、その結果、さらに高い光電変換効率を得ることができる。

請求項６の立体構造太陽電池は、請求項１〜４の何れかの発明において、前記集光部材の太陽光入射方向と反対側部位に、球状光電変換素子を組み込まない集光機能のある補助集光部材を光学的に接続したことを特徴とするものである。集光機能のある補助集光部材を光学的に接続することによって、光の取り込み量を増すことができる。しかも、集光部材と補助集光部材のレンズ焦点が近くなるように設計し、その焦点付近に複数の球状光電変換素子を配置することも可能であり、光電変換効率を高めるこも可能である。

請求項７の立体構造太陽電池は、請求項１〜５の何れかの発明において、前記集光部材の内部または外部に集光部材側へ向けて太陽光を反射する反射器を備えたことを特徴とするものである。前記集光部材の外部に反射記を配置することにより、一旦球体太陽電池外にもれた光を反射させて、その一部を再び集光部材内に戻すことができるし、また、前記集光部材の表面に接して外部に、あるいは内部の表面付近に反射器を配置することにより、集光部材外へ光がむだに漏れることを防ぐことができる。同様の目的で、前記集光部材内のより深いところに反射器を設けることも可能であるし、凹面状の反射器を設け、その焦点位置に球状光電変換素子を配置することによって高い光電変換効率を得ることも可能である。

請求項８の立体構造太陽電池は、請求項１〜６の何れかの発明において、前記集光部材を、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のうちから選択される何れかの合成樹脂材料で構成したことを特徴とするものである。エポキシ樹脂やシリコン樹脂やウレタン樹脂は、立体構造太陽電池の発電に寄与する可視領域の光に対して透明性が高いので、集光部材をこれらの何れかの合成樹脂材料で構成することで光電変換効率の高い発電を行うことができる。

請求項９の立体構造太陽電池モジュールは、請求項１に記載の立体構造太陽電池を複数個光学的に接続したことを特徴とするものである。複数個の立体構造太陽電池を配置する形態としては、直線状又は曲線状のストリング形状、複数行・複数列のマトリックス形状（平面的、又は曲面的形状を含む）を採用することができる。
ある集光部材から漏れそうな光をその集光部材に接続された隣の集光部材に導入することで、光の集光部材外部への漏れを抑制して光電変換効率を高めることができる。また、各集光部材内に複数の球状光電変換素子を収容しているから、出力電圧や電流を高めることも可能である。

請求項１０の立体構造太陽電池モジュールは、請求項９の発明において、前記各立体構造太陽電池の集光部材をエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のうちから選択される何れかの合成樹脂材料で構成したことを特徴とするものである。請求項８と同様の作用を奏する。

請求項１の立体構造太陽電池によれば、球状の受光面を有する複数の球状光電変換素子が、太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明な材料からなり外側へ凸の１次又は２次の凸曲面を有する中実の集光部材内に配置されているため、広い入射角度範囲の光に対して高い出力が得られ、太陽光の入射方向によらず、日中の長い時間にわたって高出力で発電を行なうことが可能になる。

また、集光部材の光の閉じ込め効果によって入射光を効率良く発電に活用することができ、集光部材のレンズ効果によって、入射光を球状光電変換素子へ集光することができ、光電変換効率の面からも市販のＳｉ平板型太陽電池をはるかに上回る高効率の太陽電池を提供できる。さらに、球状光電変換素子２が集光部材を構成する透明な材料３によって覆われているため、耐候性に優れ、屋外の使用においても安定した出力を維持できる。

この立体構造太陽電池は、球状光電変換素子以外には、集光部材を構成するエポキシ樹脂のような透明な材料と、銅線のような配線材料と、銀ペーストのような導電性ペーストなどを主体にして安価な材料を用いて製作可能であるため、低コストで製造できる。さらに、複数の球状光電変換素子を電気的に接続する際の直列接続する素子数及び並列接続する素子数を適宜設定することにより、立体構造太陽電池の出力電圧と電流を球状光電変換素子１個の電圧と電流の整数倍の中から必要に応じて任意に設定することができる。

請求項２の立体構造太陽電池によれば、前記集光部材が球体、部分球体、回転楕円体、部分回転楕円体のうちの何れかの形状を有するため、種々の太陽光入射方向に対してほぼ等しい受光面積を持つ。そして、球状光電変換素子の受光面が球面であるので、光電変換素子への入射光の入射角度に依存せず等しい受光面積を持つ。そのため、入射方向に対する指向性の低い太陽電池を実現することができる。

請求項３の立体構造太陽電池によれば、複数の球状光電変換素子を立体的に配置することによって、レンズ機能のある集光部材の焦点付近に複数の球状光電変換素子を配置し、集光した光による光電変換効率の高い発電を行なうことができる。
請求項４の立体構造太陽電池によれば、少なくとも一部の球状光電変換素子については、隣接する球状光電変換素子の中心間距離を球状光電変換素子直径の２倍以下にすることにより、隣接した球状光電変換素子からの反射光が発電に寄与し、その結果、より光電変換効率の高い発電を行なうことができる。

請求項５に記載の立体構造太陽電池によれば、球状光電変換素子の全投影面積が太陽光入射方向から見た前記集光部材の受光面積以上になるように多数の球状光電変換素子を用いることにより、前記集光部材の受光面積以上の実効受光面積を具備させることができ、光電変換効率の一層高い発電を行なうことができる。

請求項６に記載の立体構造太陽電池によれば、集光部材の太陽光入射方向と反対側部位に、球状光電変換素子を組み込まない集光機能のある補助集光部材を光学的に接続することにより、光の取り込み量を増すことができ、光の閉じ込め作用を強化することができる。また複数のレンズ焦点を近くなるように配置し、焦点付近に球状光電変換素子を配置することによって、さらに高い光電変換効率を得ることができる。

請求項７に記載の立体構造太陽電池によれば、前記集光部材の内部または外部に反射器を備えることにより、立体構造太陽電池からの光のもれを低減でき、あるいはもれた光を反射して立体構造太陽電池内に再び光を戻し、その一部を発電に寄与させることで、さらには凹面形状を備えた反射器の焦点付近に球状光電変換素子を設けることも可能であり、光電変換効率の高い発電を行なうことも可能である。

請求項８に記載の立体構造太陽電池によれば、前記集光部材を、適当な屈折率を有し、太陽光に対して透明性に優れたエポキシ樹脂またはシリコン樹脂またはウレタン樹脂で構成することにより、光電変換効率の高い発電を行なうことができ、集光部材を安価に製作できる。

請求項９の立体構造太陽電池モジュールによれば、ある集光部材から漏れそうな光をその集光部材に接続された隣の集光部材に導入することで、光の集光部材外部への漏れを抑制して光電変換効率を高めることができる。また、各集光部材内に複数の球状光電変換素子を収容しているから、出力電圧や電流を高めることも可能である。
請求項１０の立体構造太陽電池モジュールによれば請求項８と同様の効果が得られる。

本発明に係る立体構造太陽電池は、基本的に、球状の受光面を有する複数の球状光電変換素子を、太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明な材料からなり外側へ凸の１次又は２次の凸曲面を有する中実の集光部材内に配置し、複数の球状光電変換素子を電気的に接続したものである。本発明に係る立体構造太陽電池モジュールは、前記の立体構造太陽電池を複数個光学的に接続したものである。以下の実施例は、屋外で使用する小型の太陽電池に本発明を適用した一例である。

図１に示すように、立体構造太陽電池１（半球状太陽電池）は、１８個の球状光電変換素子２と、太陽光の一部の波長の光に対して透明な材料（本実施例では、エポキシ樹脂）からなる半球状の集光部材３と、引出し導線４と、ガラスエポキシ基板５と、銅パターン６と、銅線７などで構成されている。

球状光電変換素子２は、特開２００１−１６８３６９号公報などに詳細に記載されているものと同様のものであるので簡単に説明する。図２に示すように、球状光電変換素子２は、直径が約１. ５ｍｍで、抵抗率が１Ωｃｍ程度のｐ型シリコン半導体製の球状結晶１０と、ほぼ球面状のｐｎ接合１１を形成するために球状結晶１０の表面近傍に形成されたｎ型拡散層１２と、球状結晶１０のｐ型シリコンに電気的に接続された正電極１３と、正電極１３とは球状結晶１０の中心に対して点対称状に対向する位置に形成されｎ型拡散層１２に電気的に接続された負電極１４と、電極１３, １４が形成されていない球状結晶１０の表面に形成された絶縁被膜１５とを備えている。

更に、正電極１３の表面には、厚さ約２０μｍのアルミペースト膜１６が形成され、負電極１４の表面には厚さ約２０μｍの銀ペースト膜１７が形成されている。球状光電変換素子２に太陽光などの光が入射すると、入射光はｎ型拡散層を透過してｐｎ接合１１に入射し、そのｐｎ接合１１で光起電力が発生する。この球状光電変換素子２の起電力は約０. ６V であり、３〜３. ５ｍＡ程度の電流を出力することができる。

１８個の球状光電変換素子２は、集光部材３の半球の赤道面上に３行６列のマトリックス状に等間隔に配置されて電気的に接続されている。球状光電変換素子２の接続方式は、図３に示すように、３直列×６並列のマトリックス接続（３行６列の直並列接続）になっている。１８個の球状光電変換素子２は、半透明淡白色のガラスエポキシ基板５上の銅パターン６に正電極１３側のアルミペースト膜１６を銀ペーストで電気的に接続して固定されている。負電極１４側の銀ペースト膜１７には、直径０．５ｍｍの銅線７が銀ペーストによって接続され、銅線７の他端は銅パターン６の所定の箇所にハンダ付けされている。

ここで、行方向と列方向に隣接する球状光電変換素子２の中心間距離は３．２ｍｍの等間隔に配置されている。すなわち、隣接する球状光電変換素子２の中心間距離は、球状光電変換素子直径１．５ｍｍの２倍以上である。１８個の球状光電変換素子２が発電した電力の総和を外部に取り出すために前記球状光電変換素子に電気的に接続された引き出し線４が備えられている。

集光部材３は、太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明な合成樹脂材料（本実施例の場合、エポキシ樹脂）で中実に構成され、集光部材３は直径２０ｍｍの球体の半分の半球体（部分球体）の形状を有し、表面には外側へ凸の半球面（１種の２次凸曲面である）が形成されている。集光部材３を構成する透明な材料３としては、本実施例ではエポキシ樹脂を用いるが、この他に太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明なシリコン樹脂やウレタン樹脂を適用することもできる。

以下、屈折率１．５４のエポキシ樹脂で集光部材３を構成した場合について説明する。一般に、外部から集光部材３へ入射した光が集光部材３の表面で全反射するか、一部が集光部材３内に進入するかを決定する要素は、光の入射角、および集光部材３と空気との屈折率比である。この場合は、集光部材３の材料の屈折率が空気の屈折率１．００よりも大きいので、入射角がいくら大きくても全反射は起こらない。すなわち、前記集光部材３に達した光のうち、集光部材３と空気との屈折率比に応じて、その一部が集光部材３内に進入し、他は反射される。その結果、集光部材３に達した光のうち、計算上９５％が集光部材３内に進入し、残り５％が反射される。

集光部材３内に進入した光は、集光部材３内を伝播し、その一部が球状光電変換素子２の表面に達する。そこで光が全反射するか、一部が球状光電変換素子２内に進入するかは、集光部材３の屈折率１．５４と球状光電変換素子２の表面を覆っているＳｉＯ２からなる絶縁被膜１５の屈折率１．４２との比と、光の入射角によって決まる。臨界角以上の入射角で入射した光は全反射されて、球状光電変換素子２内に進入できない。この場合、臨界角は計算上、６７．２度であり、入射角がそれ以下の場合は、計算上９９％の光が光電変換素子２内に進入し、残り１％は反射される。

一方、一旦は、集光部材３内に進入したものの、球状光電変換素子２に達する前に、あるいは球状光電変換素子２の表面で反射された後に、集光部材３の表面に再び達した光は、このときの入射角が臨界角以上の場合には全反射して再び集光部材３内を伝播する。入射角が臨界角以下であれば、計算上９５％の光が集光部材３の表面を透過して空気中にもれ、残り５％は反射されて再び集光部材３内を伝播する。この場合の臨界角は計算上４０．５度と比較的小さく、それ以上の角度で入射した光は全反射されるため、光の閉じ込め効果が発現する。

球状光電変換素子２内に進入した光の一部が、ｐｎ接合１１付近で球状光電変換素子２を構成するＳｉに吸収されると光電変換による電力を発生する。ｐｎ接合から離れたところで吸収された光は発電に寄与しない。球状光電変換素子２内に進入した光の一部は、再び球状光電変換素子２の表面に達する。このとき、ＳｉＯ２からなる絶縁被膜１５の屈折率１．４２に比べ、集光部材３を構成する材料の屈折率１．５４の方が大きいため、いかなる入射角に対しても全反射は起きない。その結果、球状光電変換素子２の表面に達した光は、入射角の大小に係りなく計算上９９％が集光部材３の透明材料へもれ、残り１％が反射されて球状光電変換素子２内を伝播する。

図１の立体構造太陽電池１の発電能力をソーラー・シミュレーター内ＡＭ１．５下で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は７．９％であった。このとき、光は半球に対し北極方向から赤道面に垂直つまり球状光電変換素子２のマトリックス接続体に垂直に照射し、光電変換効率は最適動作点における出力電力Ｐｍａｘを、半球に照射される光エネルギーで割って求めた。

次に、図１の立体構造太陽電池１に用いた、１８個の球状光電変換素子２の３直列×６並列マトリックス接続体を裸の状態で同様の評価を行なったところ、最適動作点における光電変換効率は５．６％と上述の立体構造太陽電池１の光電変換効率を大きく下回り、透明な材料からなる集光部材３内に球状光電変換素子２を配置することの効果が実証された。このとき、光はマトリックス接続体に対して垂直に照射し、最適動作点における出力電力Ｐｍａｘを、マトリックス接続体を取り囲んで透明な材料からなる半球（集光部材３）があったと仮定した場合に、その半球に照射される光のエネルギーで割ることによって求めた。

以上説明した立体構造太陽電池１の作用、効果について説明する。
この立体構造太陽電池１によれば、球状の受光面を有する球状光電変換素子２が半球状の中実の集光部材３内に配置されているため、広い入射角度範囲の光に対して高い出力が得られる。そして、太陽光の入射方向に対する指向性が低く、広い入射角の範囲にわたって高い出力が得られるため、日中の長い時間にわたって高出力で発電を行なうことができる。光電変換効率の面からも市販のＳｉ平板型太陽電池をはるかに上回る高効率の太陽電池を提供できる。

この立体構造太陽電池１に用いる材料は、球状光電変換素子２以外には、エポキシ樹脂のような透明な材料と、銅線のような配線材料、銀ペーストのような導電性ペーストが主なもので、安価な材料から構成できるから、低コストで製造できる。複数の球状光電変換素子２を電気的に接続する際の直列接続数及び並列接続数を適宜設定することにより、立体構造太陽電池の出力電圧及び電流を、球状光電変換素子１個の電圧及び電流の整数倍の中から必要に応じて任意に設定することができる。

また、集光部材３の光の閉じ込め効果によって入射光を効率良く発電に活用することができ、集光部材３のレンズ効果によって、入射光を球状光電変換素子２へ集光することができる。複数の球状光電変換素子２が集光部材３を構成する透明な材料によって覆われているため、耐候性に優れ、屋外の使用においても安定した出力を維持できる。

尚、この実施例においては、１８個の球状光電変換素子２を集光部材３内に組み込んだ例を説明したが、集光部材３内に組み込む球状光電変換素子２の数は、前記１８個に限るものではなく、より多くの球状光電変換素子２を組み込むこともある。また、直列接続する球状光電変換素子２の行数も、並列接続する列数も適宜選択可能である。集光部材３はエポキシ樹脂以外に、太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明なシリコン樹脂又はウレタン樹脂で構成してもよい。また、後述の実施例の記載から判るように、隣接する球状光電変換素子２の中心間距離を、球状光電変換素子２の直径の２倍以下に設定することが望ましい。また、複数の球状光電変換素子２を太陽光の入射方向によってはその入射方向から視て上下に離隔して位置するように立体的に配置してもよい。

図４に示すように、実施例１の立体構造太陽電池１（半球状太陽電池）の下にさらにエポキシ樹脂製の中実の半球体を一体的に設け、全体として球形の集光部材３Ａ内に１８個の球状光電変換素子２を組み込んで立体構造太陽電池１Ａに構成したものである。尚、実施例１と同様のものに同一符号を付して説明を省略する。

ガラスエポキシ基板５は半透明のため集光部材３Ａの下半球に侵入した光の一部はガラスエポキシ基板５を透過して赤道面の複数の球状光電変換素子２に達し、発電に寄与する。図４の立体構造太陽電池１Ａの発電能力をソーラー・シミュレーター内ＡＭ１．５下で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は８．８％であった。このとき、光の照射方向、光電変換効率の計算方法は実施例１の場合と同様である。この立体構造太陽電池１Ａにおいても、前記立体構造太陽電池１とほぼ同様の作用，効果を奏するうえ、集光部材３Ａの下半球に入射する太陽光も発電に活用できる。尚、その他、段落［００５４］に記載したことは、この実施例にも同様に該当する。

図５に示すように、この立体構造太陽電池１Ｂは、実施例１の立体構造太陽電池１の下端部に反射器８を形成したものである。この反射器８は、集光部材３を構成するエポキシ樹脂中に白色の顔料を０．１％混合することによって形成された白色の反射層で構成されている。この反射層により立体構造太陽電池１Ｂの裏面から外部への光の漏れを抑えることができ、透明な材料からなる集光部材３と反射層との界面で光を拡散反射させることで、光電変換効率を高めることができる。図５の球体太陽電池の発電能力をソーラー・シミュレーター内ＡＭ１．５下で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は９．１％であった。光の照射方向、光電変換効率の計算方法は実施例１の場合と同様である。

ここで、隣接する球状光電変換素子２の中心間距離を２．８ｍｍに設定し、それ以外は上述したのと同様に製作した図５のものと同様の立体構造太陽電池ついて、前記同様に評価された光電変換効率は１２．２％であった。このとき隣接する球状光電変換素子２の中心間距離は、球状光電変換素子２の直径の２倍以下である。この立体構造太陽電池では、隣接する球状光電変換素子２からの反射光が発電に寄与し、光電変換効率が向上したものと考えられる。尚、段落［００５４］に記載したことはこの実施例にも同様に該当する。

図６に示すように、この立体構造太陽電池１Ｃにおいては、実施例１の集光部材と同じエポキシ樹脂製の半球体からなる集光部材３を採用し、この集光部材３の半球面の表面付近に複数（例えば、５個×９列＝４５個）の球状光電変換素子２を配置してある。尚、集光部材３の直径は２５ｍｍである。光の挙動と発電の仕組みは、実施例１の立体構造太陽電池１と同様であるから、異なる点を中心に以下に説明する。

この立体構造太陽電池１Ｃでは、図７に示すように５個の球状光電変換素子２を並列接続してなる単列ストリング３１を集光部材３内の表面付近に配置したものである。図示のように、９本の単列ストリング３１が平面視にて放射状に配置されて直列接続されている。この立体構造太陽電池１Ｃの発電出力を取り出すために、直列接続の両端に引き出し線４を接続した。この単列ストリング３１では、隣接する球状光電変換素子２の中心間距離は約４．０ｍｍであり、球状光電変換素子２の直径（１．５ｍｍ）の２倍以上であった。

図６の立体構造太陽電池１Ｃの発電能力をソーラー・シミュレーター内ＡＭ１．５下で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は５．６％であった。光の照射方向、光電変換効率の計算の方法は実施例１の場合と同様である。他方、図６に用いたのと同じ９本の単列ストリング３１を直径２５ｍｍのアクリル樹脂製半球面上に図６と同様の位置に固定し、それら単列ストリング３１を直列接続し、球状光電変換素子２はアクリル樹脂で覆わずに裸にして同様の評価を行った。このとき、光電変換効率は、最適動作点における出力電力をアクリル樹脂製半球体に照射する光のエネルギーで割ることにより求めた。

その結果、裸の場合の光電変換効率は３．９％と、この立体構造太陽電池１Ｃの光電変換効率を大きく下回り、太陽光の少なくとも一部の光に対して透明な材料からなる球体または半球体の形状を有する集光部材３の内部に球状光電変換素子２を配置することの効果が実証された。尚、単列ストリング３１における球状光電変換素子の数や、単列ストリング３１の数は前記の例に限るものではないし、段落［００５４］に記載したことはこの実施例にもほぼ同様に該当する。

図８に示すように、この立体構造太陽電池１Ｄにおいては、実施例３の立体構造太陽電池１Ｃにおける複数の球状光電変換素子２の数、配置、接続形態を変更したものである。集光部材３を構成する半球体内の表面付近に、６個の球状光電変換素子２を並列接続した単列ストリング３１Ａに４個の球状光電変換素子２を並列接続することにより１０個の球状光電変換素子２を並列接続したものを１２列直列接続した１２直列×１０並列のマトリックス接続体を配置してある。これらの球状光電変換素子２は銅線７によって接続され、立体構造太陽電池１Ｄの出力を外部に取り出すために直列接続の両端に引き出し線４が接続されている。この立体構造太陽電池１Ｄでは、隣接する球状光電変換素子２の中心間平均距離は２．８ｍｍ、すなわち球状電変換素子直径（１．５ｍｍ）の２倍以下であった。

この立体構造太陽電池１Ｄの発電性能をソーラー・シミュレーター内ＡＭ１．５下で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は９．４％であった。この光電変換効率の増加は、球状光電変換素子２の数を増したことと、隣接する球状光電変換素子２の中心間距離を球状光電変換素子２の直径の２倍以下に近づけることで隣接した球状光電変換素子２からの反射光が発電に寄与したことによる。尚、球状光電変換素子２の数や、直列接続する列の数は前記の例に限るものではないし、段落［００５４］に記載したことはこの実施例にもほぼ同様に該当する。

図９に示すように、この立体構造太陽電池１Ｅは、実施例１と同様のエポキシ樹脂製の球体からなる集光部材３Ａの焦点に極力近い位置に複数の球状光電変換素子２を配置したものである。集光部材３Ａを球状レンズとした場合の焦点位置は、光が入射するのと反対側の極点（南極点）付近に位置する。実施例１〜５の立体構造太陽電池１〜１Ｄでは、いずれも、複数の球状光電変換素子２が集光部材３Ａの焦点付近に配置されていない。

そこで、この立体構造太陽電池１Ｅでは、レンズ焦点に極力近い位置に複数の球状光電変換素子２を配置する為に、集光部材３Ａを構成する球体の下半球の内部に複数の球状光電変換素子２がすべて配置されている。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、３列の球状光電変換素子２を銅線７で直並列接続したマトリックス接続体３３〜３５を用い、３直列×８並列に接続し円筒状に形成したマトリックス接続体３３、３直列×１２並列に接続し円筒状に形成したマトリックス接続体３４、３直列×２４並列に接続し円筒状に形成したマトリックス接続体３５を製作した。それらマトリックス接続体３３，３４，３５を図９に示すように、集光部材３Ａを構成する球体の下半球内に円筒の軸心を鉛直姿勢として配置し、それらマトリックス接続体３３，３４，３５を銅線７で並列接続した。この場合、隣接する球状光電変換素子２の中心間距離は２ｍｍ以下であり、集光部材３Ａを構成する球体の直径は２０ｍｍである。この立体構造太陽電池１Ｅでは、複数の球状光電変換素子２のうちの少なくとも一部の球状光電変換素子２が、太陽光の入射方向によってはその入射方向から視て上下に離隔して位置する状態に立体的に配置されている。

図９の立体構造太陽電池１Ｅを実施例１と同様の方法で評価したところ、直上からの入射光に対しての光電変換効率は１６．４％であった。実施例１〜５の立体構造太陽電池と比較して光電変換効率が著しく向上したのは、複数の球状光電変換素子２を同一平面にではなく、立体的に配置することにより、レンズの焦点位置の付近に多数の球状光電変換素子２を配置できたことと、各マトリックス接続体３３〜３５における隣接する球状光電変換素子２の中心間距離を２ｍｍ以下、すなわち球状光電変換素子直径１．５ｍｍの２倍以下にすることによって、隣接する球状光電変換素子２からの反射光が発電に寄与したことによる。この立体構造太陽電池１Ｅに対し、斜め下６０度の角度から光を照射しても、光電変換効率は１６．９％とほぼ変わらず、入射光に対してきわめて指向性の低い立体構造太陽電池１Ｅが得られた。

図１１に示すように、この立体構造太陽電池１Ｆは実施例６の立体構造太陽電池１Ｅを部分的に変更し、集光部材３Ａを構成する球体の下半球内部のマトリックス接続体３３，３４，３５はそのままとし、集光部材３Ａを構成する球体の上半球内の球面付近にも１２本の４並列ストリング３６（４個の球状光電変換素子を並列接続したもの）を配置してある。１２本の４並列ストリング３６と３つの円筒状マトリックス接続体３３，３４，３５は銅線で接続される。図１２は、この立体構造太陽電池１Ｆにおける複数の球状光電変換素子２を接続する接続構造を示すものであり、立体構造太陽電池１Ｆの全体として、３直列６０並列のマトリックス接続体が形成されている。

この立体構造太陽電池１Ｆにおいては、太陽光の入射方向によっては、少なくとも一部の球状光電変換素子２が、太陽光の入射方向から視て上下に離隔して位置し、立体的な配置になっている。そして、太陽光の入射方向が直上（所定入射方向）である場合、立体構造太陽電池１Ｆにおける複数の球状光電変換素子２の重なり合いを無視した場合の１８０個の球状光電変換素子２の全投影断面積は３１８ｍｍ^２であり、これは太陽光の入射方向か
ら見た集光部材３Ａの受光断面積３１４ｍｍ^２を越えるものである。図１１の立体構造太陽電池１Ｆを実施例１と同様の方法で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は１９．１％であった。この場合の光電変換効率増加は、多数の球状光電変換素子２を集光部材３Ａを構成する球体内に立体的に配置することにより、集光部材３Ａの受光断面積以上の実効受光面積を備えたことによる。

図１３に示すように、この立体構造太陽電池１Ｇは、実施例６の立体構造太陽電池１Ｆの集光部材３Ａの下端部に、球状光電変換素子２を組み込まない補助集光部材３Ｂを光学的に接続したものである。補助集光部材３Ｂは、集光部材３Ａと同材料で構成された同サイズものである。但し、同サイズのものに限定される訳ではない。補助集光部材３Ｂを構成する球体の下半球の半球面にはアルミニウム被膜からなる反射器８Ａが設けられている。上述の実施例と同様に上から光を照射して評価したところ、最適動作点における光電変換効率は２０．４％であった。

この光電変換効率増加は、上の集光部材３Ａを透過した後に、あるいは集光部材３Ａと補助集光部材３Ｂの接続部９を通過した後に．補助集光部材３Ｂ内に進入した光が反射器８Ａで反射され、前記の接続部９を通過して集光部材３Ａに戻り、複数の球状光電変換素子２に達して発電に寄与したものである。この立体構造太陽電池１Ｇに対し、上斜め４５度方向から光を照射して評価したところ、最適動作点における光電変換効率は１９．８％とほぼ変わらず、太陽光の入射方向に対する指向性の低い立体構造太陽電池１Ｇが得られた。このとき、光電変換効率の計算における受光面積は、上側の集光部材３Ａの投影面積を用いた。

図１４に示す立体構造太陽電池モジュール１Ｍは、前記実施例６の立体構造太陽電池１Ｅを複数個光学的に直列接続したものである。立体構造太陽電池１Ｅ同士を光学的に接続する接続部９Ａは、光の通過を許容するように面接触的に接続する構造になっている。
この太陽電池モジュール１Ｍでは、太陽電池モジュール１Ｍ内へ入射した光を内部に閉じ込める閉じ込め作用が増強されるため、光電変換効率を高めることができる。ここで、太陽電池１Ｅの出力線を接続する構造は図示省略したが、全部の太陽電池１Ｅを直列接続してもよく、並列してもよく、又は直並列接続してもよい。

尚、立体構造太陽電池１Ｅを複数個接続する接続個数は自由に設定することができる。また、複数の立体構造太陽電池１Ｅを複数行複数列のマトリックス状に配列して、隣接する立体構造太陽電池１Ｅの集光部材３Ａを光学的に接続した構造の立体構造太陽電池モジュールに構成してもよい。また、この太陽電池モジュール１Ｍでは、実施例６の立体構造太陽電池１Ｅを採用した場合を例にして説明したが、実施例６のものに限らず、実施例１〜８のうちの何れかの立体構造太陽電池１〜１Ｇを採用してもよい。また、立体構造太陽電池１Ｅ同士を接続するのに、太陽電池１Ｅを直接面接触させるのではなく、太陽光を透過可能な可撓性のある合成樹脂製の短いロッドを介して接続してもよい。その場合、太陽光モジュール１Ｍが可撓性を有するものとなる。

次に、上述した実施例１〜９を部分的に変更する例について説明する。
１］前記の球状光電変換素子２に代えて、図１５に示す球状光電変換素子２Ａを採用してもよい。前記の球状光電変換素子２では、ｐ型シリコン半導体からなる球状結晶１０を主体として球状光電変換素子２を構成したが、図１４に示す球状光電変換素子２Ａのように、ｎ型シリコン半導体の球状結晶１０Ａを主体として球状光電変換素子２Ａを構成してもよい。

この球状光電変換素子２Ａは、ｐｎ接合１１Ａを形成するために球状結晶１０Ａの表面近傍に形成されたｐ型拡散層１２Ａと、球状結晶のｎ型シリコンに電気的に接続された負電極１４Ａと、負電極１４Ａとは球状結晶１０Ａの中心に対して対向する位置に形成されｐ型拡散層１２Ａに接続された正電極１３Ａと、電極１３Ａ, １４Ａが形成されていない表面に形成された絶縁皮膜１５Ａとを備えている。更に、正電極１３Ａ, 負電極１４Ａの表面には、金属のペースト膜１６Ａ, １７Ａが被膜されている。

ここで、前記球状光電変換素子としては、前記球状光電変換素子２，２Ａに限定されるものではなく、ｐ形又はｎ形の球状の半導体結晶、その球状の半導体結晶の表層部に形成されたほぼ球面状のｎ形又はｐ形拡散層、半導体結晶と拡散層との境界部に形成されたｐｎ接合と、正負の電極とを有し、太陽光で発電する機能のある種々の球状光電変換素子を採用することができる。前記半導体結晶を構成する半導体はシリコンに限定されるものではなく、ゲルマニウムなどのIV族半導体や、III −V 族半導体、II−VI族半導体などにより球状光電変換素子を構成してもよい。

２］前記集光部材３，３Ａを構成する透明な材料には、エポキシ樹脂を用いたが、他の透明な材料を用いることもできる。材料の屈折率及び透明性の両面から、とくにエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂を用いることが望ましい。但し、これらの合成樹脂以外の樹脂も適用可能である。

ここで、集光部材を屈折率１．４５の透明なシリコン樹脂で構成した場合について説明する。外部から集光部材へ入射した光が集光部材の表面で全反射するか、一部が集光部材内に進入するかは、光の入射角と、集光部材を構成する材料の屈折率と空気の屈折率との屈折率比に依存する。シリコン樹脂製の集光部材の屈折率１．４５が空気の屈折率１．００よりも大きいので、入射角がいくら大きくても全反射は起こらない。すなわち、前記集光部材に達した光のうち、集光部材と空気との屈折率比に応じて、その一部が集光部材内に進入しその他は反射される。前記集光部材に達した光のうち、計算上９７％が前記集光部材内に進入し、残り３％が反射される。

前記集光部材内に進入した光は、集光部材内を伝播し、その一部が球状光電変換素子２，２Ａの表面に達する。このとき光が全反射するか、一部が球状光電変換素子内に進入するかは、集光部材の屈折率１．４５と球状光電変換素子の表面を覆っているＳｉＯ２からなる絶縁被膜１５の屈折率１．４２との比と、光の入射角によって決まる。臨界角以上の入射角で入射した光は全反射されて、球状光電変換素子内に進入できない。この場合、臨界角は計算上、７８．３度であり、入射角がそれ以下の場合は、計算上ほぼ１００％の光が光電変換素子内に進入する。

一方、一旦集光部材内に進入したものの、球状光電変換素子に達する前に、又は球状光電変換素子表面で反射された後に、集光部材の表面に達した光は、このときの入射角が臨界角以上の場合には全反射して再び集光部材内を伝播する。入射角が臨界角以下であれば、計算上９７％の光が集光部材の表面を透過して空気中にもれる。この場合の臨界角は計算上４３．６度と比較的小さく、それ以上の角度で入射した光は全反射されるため、この場合も光の閉じ込め効果が発現する。

前記球状光電変換素子内に進入した光の一部が、ｐｎ接合１１付近で前記球状光電変換素子を構成するＳｉに吸収されると光電変換による電力を発生する。ｐｎ接合から離れたところで吸収された光は発電に寄与しない。前記球状光電変換素子内に進入した光の一部は、再び前記球状光電変換素子表面に達する。このとき、前記集光部材の屈折率１．４５に比べ、球状光電変換素子の表面を覆っているＳｉＯ２からなる絶縁被膜１５の屈折率１．４２は小さい。従って、入射角に係らず全反射は起きず、計算上ほぼ１００％の光が前記集光部材内に漏れる。

前記集光部材を屈折率１．４５の透明なシリコン樹脂で構成する以外は、図１３のように製作した立体構造太陽電池を、同様の方法で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は１９．１％であった。この場合の光電変換効率の減少はエポキシ樹脂に比べ屈折率が小さくなったことにより、光閉じ込め効果が低くなったことによる。

次に、集光部材を可視光に対して透明なウレタン樹脂で構成する以外は、図１３のように製作した立体構造太陽電池を、同様の方法で評価したところ、最適動作点における光電変換効率は１８．９％であった。この樹脂の屈折率は不明だが、透明性が高く、光電変換効率から考えても十分な光閉じ込め効果が発現している。集光部材による光閉じ込め効果を得るためには、集光部材を構成する透明材料の屈折率が１．１０以上であることが望ましい。

前記集光部材を構成する透明な合成樹脂材料としては、上述のエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂以外にも、球状光電変換素子の発電に寄与する少なくとも所定波長の光に対して透明な材料であれば、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルブチル樹脂、エチレンビニルアセテート樹脂、ナフトラン樹脂、酢酸セルロースなど種々の材料を用いることができる。

３］上述の実施の形態においては、立体構造太陽電池の集光部材の形状として、半球または球体を用いたが、球を赤道面以外の平面で切断した部分球体や、回転楕円体や、部分回転楕円体を用いてもよい。この場合、集光部材の形状によってレンズの焦点位置が異なることを考慮に入れて、球状光電変換素子の配置を決めることが望ましい。また、集光部材の形状としては、前記以外に、１次または２次の凸曲面を有する種々の形状を適用可能である。

４］前記の諸実施例においては、球状光電変換素子をほぼ等間隔に配置していたが、レンズ機能を有する集光部材の集光にあわせて、焦点付近には短い間隔で多数の球状光電変換素子を配置し、焦点から離れるにしたがって、間隔を長くしてもよい。また、直径の異なる球状光電変換素子を用いることもできる。

５］前記の諸実施例においては、球状光電変換素子の電極から電力を取り出すための 、又は球状光電変換素子同士を電気的に接続するための導線として銅線を用いたが、アルミニウムやその他の金属の線材を用いてもよく、ニッケルや錫などのメッキを施した線材を用いてもよい。

６］前記諸実施例においては、球状光電変換素子を基板に接続したり、球状光電変換素子の電極に導線を接続したりするのに銀ペーストを用いたが、これ以外にも、アルミペーストをはじめ種々の導電性ペーストを用いることができる。

７］前記の諸実施例においては、複数の球状光電変換素子は、銅パターンを形成した半透明ガラスエポキシ基板に導電性ペーストで電極を接着するか、又は銅線に導電性ペーストで接着してマトリックス接続体を構成していたが、基板としてその表面に電極パターンを形成した透明基板を用いることで、マトリックス面の光の透過率を増すこともできるし、電極として透明導電膜を用いることで一層透過率を増し、基板を透過した光により一層高い光電変換効率を得ることができる。

８］前記の諸実施例において、球状光電変換素子のマトリックス接続体あるいはストリング（紐状の並列接続体）は、球面上あるいは平面状あるいは円筒状に配置されていたが、それ以外の任意の立体形状に配置してもよい。例えば、円錐、角錐、立方体、その他の種々の立体形状に配置することができる。

９］前記の実施例においては、反射器として、白色顔料を混合したエポキシ樹脂層を半球の底面に接して設け、あるいはアルミニウムのフィルムで球体を覆うように設けたが、それ以外にも、球状光電変換素子の発電に寄与する波長の光を反射できる種々の金属や樹脂を用いることができるし、加えて、その反射器は球体太陽電池の内部のより深いところに設けることもできるし、立体構造太陽電池から離して設けることもできる。

本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施の形態に種々の変更を付加して実施することができ、本発明はそれらの変更形態をも包含するものである。

本願の実施例１の立体構造太陽電池の斜視図である。 図１の太陽電池の球状光電変換素子の断面図である。 複数の球状光電変換素子を直並列接続したマトリックス接続体の平面である。 実施例２の立体構造太陽電池の斜視図である。 実施例３の立体構造太陽電池の斜視図である。 実施例４の立体構造太陽電池の斜視図である 図６の立体構造太陽電池のストリングの平面図である。 実施例５の立体構造太陽電池の斜視図である。 実施例６の立体構造太陽電池の斜視図である。 ２４個の球状光電変換素子を直並列接続したマトリックス接続体の構成図である。 ３６個の球状光電変換素子を直並列接続したマトリックス接続体の構成図である。 ７２個の球状光電変換素子を直並列接続したマトリックス接続体の構成図である。 実施例７の立体構造太陽電池の斜視図である。 図１１の立体構造太陽電池の電気的な接続回路の図である。 実施例８の立体構造太陽電池の斜視図である。 実施例９の立体構造太陽電池モジュールの斜視図である。 変更例に係る球状光電変換素子の断面図である。

符号の説明

１〜１Ｇ 立体構造太陽電池
１Ｍ 立体構造太陽電池モジュール
２，２Ａ 球状光電変換素子
３，３Ａ 集光部材
３Ｂ 補助集光部材
８，８Ａ 反射器

Claims (10)

1. 球状の受光面を有する複数の球状光電変換素子を、太陽光の少なくとも一部の波長の光に対して透明な材料からなり外側へ凸の１次又は２次の凸曲面を有する中実の集光部材内に配置し、複数の球状光電変換素子を電気的に接続したことを特徴とする立体構造太陽電池。
2. 前記集光部材が、球体、部分球体、回転楕円体、部分回転楕円体のうちの何れかの形状を有することを特徴とする請求項１に記載の立体構造太陽電池。
3. 前記複数の球状光電変換素子のうちの少なくとも一部の球状光電変換素子が、太陽光の入射方向によってはその入射方向から視て上下に離隔して位置する状態に立体的に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体構造太陽電池。
4. 前記複数の球状光電変換素子のうちの少なくとも一部の球状光電変換素子においては、隣接する球状光電変換素子の中心間距離が球状光電変換素子直径の２倍以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の立体構造太陽電池。
5. 太陽光の入射方向が所定入射方向である場合に、複数の球状光電変換素子の重なり合いを無視した全投影面積が、前記入射方向に対する集光部材の受光面積以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の立体構造太陽電池。
6. 前記集光部材の太陽光入射方向と反対側部位に、球状光電変換素子を組み込まない集光機能のある補助集光部材を光学的に接続したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の立体構造太陽電池。
7. 前記集光部材の内部または外部に集光部材側へ向けて太陽光を反射する反射器を備えたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の立体構造太陽電池。
8. 前記集光部材を、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のうちから選択される何れかの合成樹脂材料で構成したことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の立体構造太陽電池。
9. 請求項１に記載の立体構造太陽電池を複数個光学的に接続したことを特徴とする立体構造太陽電池モジュール。
10. 前記各立体構造太陽電池の集光部材をエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のうちから選択される何れかの合成樹脂材料で構成したことを特徴とする請求項９に記載の立体構造太陽電池モジュール。