JP2005285948A - Solar cell module and its manufacturing method - Google Patents

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solar cell
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Yukiko Nagasaka
由起子 長坂
Kazuya Kitamura
和也 北村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar cell module which can raise light condensing efficiency by lowering the reflectivity on the surface of the solar battery so as to take in sunlight sufficiently. <P>SOLUTION: The solar cell module includes a solar battery 10, and an optical element 1 arranged at the surface 10a side of the solar battery 10. The optical element 1 includes a lens 2 arranged at the incidence side of sunlight, and a trapezoidal prism 4 arranged at the solar battery 10 side. Furthermore, sunlight is made refracted twice by the light condensing operation of the lens 2 and the refraction operation of the trapezoidal prism 4, so that the incident angle of the sunlight which enters into the surface 10a of the solar battery 10 may be made small. Thus, the light condensing efficiency can be raised since the reflectivity in the surface 10a of the solar battery 10 is lowered, and sunlight can be taken in efficiently. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、例えば、変換効率を上げる集光型太陽電池モジュールおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to, for example, a concentrating solar cell module that increases conversion efficiency and a method for manufacturing the same.

太陽光エネルギーを利用する太陽電池は、クリーンなエネルギー源として一般家庭から、発電所まで広範囲での利用が期待されている。太陽電池の集光効率を上げるには、太陽電池に入射してくる太陽光の太陽電池表面での反射を防ぎ、効率よく閉じ込めることが必要となる。そのためには、太陽電池表面の受光部を太陽光の入射に対してほぼ垂直な位置に置き、表面での反射率を減らすことが重要となる。しかしながら、通常、太陽電池は固定されている場合が多く、太陽の時刻や季節による入射角の変化には対応できていない。したがって、斜め方向から入射する太陽光に関しては、反射損失が大きくなり、集光効率を高くできないといった問題がある。一般的に、太陽電池の吸収率は、太陽電池に対する入射角度が60°以上になると、反射率が高くなって急激に落ちる。   Solar cells that use solar energy are expected to be used as a clean energy source in a wide range from households to power plants. In order to increase the light collection efficiency of the solar cell, it is necessary to prevent the sunlight incident on the solar cell from being reflected on the surface of the solar cell and efficiently confine it. For this purpose, it is important to place the light-receiving portion on the surface of the solar cell at a position substantially perpendicular to the incidence of sunlight and reduce the reflectance on the surface. However, solar cells are usually fixed in many cases and cannot cope with changes in the incident angle depending on the solar time or season. Therefore, with respect to sunlight incident from an oblique direction, there is a problem that the reflection loss increases and the light collection efficiency cannot be increased. In general, the absorptance of a solar cell drops sharply when the incident angle with respect to the solar cell is 60 ° or more, and the reflectance increases.

そこで、上記課題を改善する手段として、太陽に対して太陽電池表面が常に垂直になるように、太陽追尾装置を組み込んだ太陽電池が提案されているが、装置が非常に高価であるため、モジュール全体のコストが高くなり、経済性に欠ける。   Therefore, as a means for improving the above problem, a solar cell in which a solar tracking device is incorporated so that the surface of the solar cell is always perpendicular to the sun has been proposed, but the device is very expensive. The overall cost is high and it is not economical.

一方、特開平6―37344号公報(特許文献1)や特開平8−330619号公報(特許文献2)に開示されるように、集光器付太陽電池が提案されている。この集光器付太陽電池によれば、集光レンズの集光作用によって、太陽電池より広い範囲から入射した太陽光であっても、太陽電池に取り込むことが可能となる。このため、太陽電池が固定された場合であっても、太陽光を取り込める範囲を大きくすることができて、コスト効率を高めることができる。   On the other hand, as disclosed in JP-A-6-37344 (Patent Document 1) and JP-A-8-330619 (Patent Document 2), a solar cell with a collector has been proposed. According to this solar cell with a concentrator, it is possible to take in sunlight that has entered from a wider range than the solar cell by the condensing action of the condensing lens. For this reason, even if it is a case where a solar cell is fixed, the range which can take in sunlight can be enlarged, and cost efficiency can be improved.

しかしながら、上記集光器付太陽電池では、集光レンズのみで太陽光を太陽電池へ入射しているので、太陽電池に対する入射角度には限度があり、斜め方向から入射する太陽光に関しては、反射損失が大きくなって、集光効率を高くできないといった問題がある。また、この集光レンズの屈折面を厳密に形成する必要があり、集光レンズを製造するのに手間であった。
特開平6―37344号公報 特開平8−330619号公報
However, in the solar cell with a concentrator, since the sunlight is incident on the solar cell only with the condenser lens, there is a limit to the incident angle with respect to the solar cell, and the sunlight incident from an oblique direction is reflected. There is a problem in that the loss increases and the light collection efficiency cannot be increased. In addition, it is necessary to form the refracting surface of the condenser lens strictly, and it is time-consuming to manufacture the condenser lens.
JP-A-6-37344 JP-A-8-330619

そこで、この発明の課題は、太陽電池表面での反射率を下げ、効率よく太陽光を取り込むことができて、集光効率を向上させることができる太陽電池モジュールを提供することにある。   Then, the subject of this invention is providing the solar cell module which can reduce the reflectance in the solar cell surface, can take in sunlight efficiently, and can improve condensing efficiency.

上記課題を解決するため、この発明の太陽電池モジュールは、
太陽電池と、
この太陽電池の表面側に配置されると共に太陽光を透過する光学素子と
を備え、
この光学素子は、
太陽光の入射側に配置されると共にこの太陽光の入射側を向く屈折面を有するレンズと、
上記太陽電池側に配置されると共にこの太陽電池側を向く屈折面を有する屈折素子と
を含むことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the solar cell module of the present invention is
Solar cells,
An optical element disposed on the surface side of the solar cell and transmitting sunlight;
This optical element is
A lens disposed on the sunlight incident side and having a refracting surface facing the sunlight incident side;
And a refractive element that is disposed on the solar cell side and has a refractive surface facing the solar cell side.

この発明の太陽電池モジュールによれば、上記光学素子は、上記レンズと上記屈折素子とを含むので、上記レンズの集光作用および上記屈折素子の屈折作用により、太陽光を少なくとも2回屈折させることができる。このように、上記太陽電池モジュールに入射する太陽光の入射角度が大きくても、上記光学素子により、上記太陽電池の表面に入射する太陽光の入射角度を小さくして、上記太陽電池の表面での反射率を下げ、効率よく太陽光を取り込むことができ、集光効率を向上させることができる。   According to the solar cell module of the present invention, since the optical element includes the lens and the refractive element, sunlight is refracted at least twice by the condensing action of the lens and the refractive action of the refractive element. Can do. Thus, even if the incident angle of sunlight incident on the solar cell module is large, the incident angle of sunlight incident on the surface of the solar cell is reduced by the optical element, and the surface of the solar cell is reduced. The reflectance can be reduced, sunlight can be efficiently taken in, and the light collection efficiency can be improved.

また、上記レンズと上記屈折素子とは、別体であるので、上記レンズおよび上記屈折素子において、種類の違うものを組み合わせて、所望の形状や性質を有する上記光学素子を容易に製造できる。また、上記レンズおよび上記屈折素子にて太陽光を屈折させるので、上記レンズおよび上記屈折素子のそれぞれの屈折面等の形状を厳密に形成する必要がなくて、上記レンズおよび上記屈折素子のそれぞれの製造が容易になる、さらに、上記レンズの屈折面と上記屈折素子の屈折面とは、それぞれ、外側を向くので、上記レンズと上記屈折素子とを背中合わせに、一体に取り付けることができ、上記光学素子の小型化を図ることができる。   Further, since the lens and the refractive element are separate, the optical element having a desired shape and properties can be easily manufactured by combining different types of the lens and the refractive element. In addition, since the sunlight is refracted by the lens and the refractive element, it is not necessary to strictly form the shape of each refractive surface of the lens and the refractive element. In addition, since the refractive surface of the lens and the refractive surface of the refractive element face each other, the lens and the refractive element can be attached to each other back to back. The element can be downsized.

また、一実施形態の太陽電池モジュールでは、上記レンズの光軸と上記屈折素子の光軸とは、一致している。   Moreover, in the solar cell module of one Embodiment, the optical axis of the said lens and the optical axis of the said refractive element correspond.

この一実施形態の太陽電池モジュールによれば、上記レンズの光軸と上記屈折素子の光軸とは、一致しているので、上記レンズと上記屈折素子との間での光線のケラレなどが発生せず、上記レンズに入射した平行光束(太陽光)を全て上記屈折素子に入射させることができる。   According to the solar cell module of this embodiment, since the optical axis of the lens and the optical axis of the refractive element coincide with each other, vignetting of light between the lens and the refractive element occurs. Instead, all the parallel luminous flux (sunlight) incident on the lens can be incident on the refractive element.

また、一実施形態の太陽電池モジュールでは、上記レンズと上記屈折素子とは、マトリクス状に配列されている。   Moreover, in the solar cell module of one Embodiment, the said lens and the said refractive element are arranged in matrix form.

この一実施形態の太陽電池モジュールによれば、上記レンズと上記屈折素子とは、マトリクス状に配列されているので、複数の上記レンズおよび複数の上記屈折素子を稠密に配置することができ、個々の上記レンズおよび上記屈折素子の配置方向によらず、一年を通して効率よく集光できる。   According to the solar cell module of this embodiment, since the lens and the refractive element are arranged in a matrix, the plurality of lenses and the plurality of refractive elements can be densely arranged. Regardless of the arrangement direction of the lens and the refractive element, light can be collected efficiently throughout the year.

また、一実施形態の太陽電池モジュールでは、上記屈折素子は、台形プリズム、球面レンズまたは円筒レンズである。   In one embodiment, the refractive element is a trapezoidal prism, a spherical lens, or a cylindrical lens.

また、一実施形態の太陽電池モジュールでは、上記光学素子は、さらに、上記レンズの太陽光の入射側に、所定の屈折率を有する被覆部材を含む。   In one embodiment, the optical element further includes a covering member having a predetermined refractive index on the sunlight incident side of the lens.

この一実施形態の太陽電池モジュールによれば、上記レンズ上に所定の屈折率を有する上記被覆部材を設けることにより、上記光学素子に取り込める太陽光の入射角度範囲を広くすることができる。したがって、上記太陽電池の表面への入射角度範囲が広がることとなり、集光効率を上げることができる。また、この被覆部材は、上記レンズを保護する役割を担い、上記レンズの損傷を防ぐことができる。   According to the solar cell module of this embodiment, the incident angle range of sunlight that can be taken into the optical element can be widened by providing the covering member having a predetermined refractive index on the lens. Therefore, the range of incident angles on the surface of the solar cell is widened, and the light collection efficiency can be increased. In addition, the covering member plays a role of protecting the lens and can prevent damage to the lens.

また、一実施形態の太陽電池モジュールでは、上記被覆部材の太陽光の入射側の表面は、平坦である。   Moreover, in the solar cell module of one Embodiment, the surface of the incident side of the said covering member is flat.

この一実施形態の太陽電池モジュールによれば、上記被覆部材の表面は、平坦であるので、太陽光を確実に屈折させて上記レンズへ導くことができる。   According to the solar cell module of this embodiment, since the surface of the covering member is flat, sunlight can be reliably refracted and guided to the lens.

また、一実施形態の太陽電池モジュールでは、
上記レンズの光軸と上記レンズの屈折面との交点から上記レンズ内に入射された入射光と、上記レンズの光軸との成す角度θは、
上記入射光と上記レンズの光軸とが形成する平面において上記レンズの光軸に垂直な方向の上記レンズおよび上記屈折素子の長さをLとし、
上記レンズの光軸と上記レンズの屈折面との交点と、上記屈折素子の光軸と上記屈折素子の上記太陽電池側の面との交点との間の距離をHとすると、
tanθ≦0.5L/H
を満たしている。
Moreover, in the solar cell module of one embodiment,
The angle θ formed between the incident light entering the lens from the intersection of the optical axis of the lens and the refractive surface of the lens and the optical axis of the lens is
The length of the lens and the refractive element in the direction perpendicular to the optical axis of the lens in a plane formed by the incident light and the optical axis of the lens is L,
When the distance between the intersection between the optical axis of the lens and the refractive surface of the lens and the intersection between the optical axis of the refractive element and the surface of the refractive element on the solar cell side is H,
tanθ ≦ 0.5L / H
Meet.

この一実施形態の太陽電池モジュールによれば、上記光学素子へ所望の角度で入射する太陽光を得たい場合、tanθ≦0.5L/Hを満たすような長さLおよび距離Hで上記光学素子を設計すればよく、所望の光学素子を確実に得ることができる。   According to the solar cell module of this embodiment, when it is desired to obtain sunlight incident on the optical element at a desired angle, the optical element has a length L and a distance H that satisfy tan θ ≦ 0.5 L / H. The desired optical element can be reliably obtained.

また、この発明の太陽電池モジュールの製造方法は、
基板の一面にレンズを取り付ける工程と、
この基板の他面に感光性材料を塗布する工程と、
光源からの光を均一な光強度分布の平行光として上記レンズに入射し、上記レンズによって上記感光性材料に集光して屈折素子を形成する工程と、
上記屈折素子を太陽電池の表面側に配置する工程と
を備えることを特徴としている。
Moreover, the manufacturing method of the solar cell module of the present invention is as follows:
Attaching the lens to one side of the substrate;
Applying a photosensitive material to the other surface of the substrate;
A step of making light from a light source incident on the lens as parallel light having a uniform light intensity distribution, condensing the light on the photosensitive material by the lens, and forming a refractive element;
A step of disposing the refractive element on the surface side of the solar cell.

この発明の太陽電池モジュールの製造方法によれば、上記レンズを用いて上記屈折素子を作製するため、上記レンズの光軸と上記屈折素子の光軸とを一致させることができる。このため、上記レンズと上記屈折素子との間での光線のケラレなどが発生せず、上記レンズに入射した平行光束(太陽光)を全て、上記屈折素子に入射させることができる。したがって、集光効率の高い太陽電池モジュールを実現できる。   According to the method for manufacturing a solar cell module of the present invention, since the refractive element is manufactured using the lens, the optical axis of the lens and the optical axis of the refractive element can be matched. For this reason, the vignetting of the light between the said lens and the said refractive element does not generate | occur | produce, but all the parallel light beams (sunlight) which injected into the said lens can be incident on the said refractive element. Therefore, a solar cell module with high light collection efficiency can be realized.

この発明の太陽電池モジュールによれば、上記光学素子は、上記レンズと上記屈折素子とを含むので、太陽光の入射角度が大きくても、上記レンズの集光作用および上記屈折素子の屈折作用により、上記太陽電池の表面に入射する太陽光の入射角度を小さくして、上記太陽電池の表面での反射率を下げ、効率よく太陽光を取り込むことができ、集光効率を向上させることができる。   According to the solar cell module of the present invention, the optical element includes the lens and the refractive element. Therefore, even if the incident angle of sunlight is large, the optical element has a condensing function of the lens and a refractive action of the refractive element. The incident angle of sunlight incident on the surface of the solar cell can be reduced, the reflectance on the surface of the solar cell can be reduced, sunlight can be taken in efficiently, and the light collection efficiency can be improved. .

また、この発明の太陽電池モジュールの製造方法によれば、上記レンズを用いて上記屈折素子を作製するため、上記レンズの光軸と上記屈折素子の光軸とを一致させることができて、上記レンズと上記屈折素子との間での光線のケラレなどが発生せず、上記レンズに入射した太陽光を全て、上記屈折素子に入射させることができて、集光効率の高い太陽電池モジュールを実現できる。   Further, according to the method for manufacturing a solar cell module of the present invention, since the refractive element is produced using the lens, the optical axis of the lens and the optical axis of the refractive element can be matched, No vignetting of light between the lens and the refraction element, and all the sunlight incident on the lens can be incident on the refraction element, realizing a high concentration efficiency solar cell module it can.

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.

図1は、この発明の太陽電池モジュールの一実施形態である斜視図を示している。図2は、この発明の太陽電池モジュールの部分構成図を示している。図1と図2に示すように、この太陽電池モジュールは、太陽電池10と、この太陽電池10の表面10a側に配置されると共に太陽光を透過する光学素子1とを備える。   FIG. 1: has shown the perspective view which is one Embodiment of the solar cell module of this invention. FIG. 2 shows a partial configuration diagram of the solar cell module of the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, this solar cell module includes a solar cell 10 and an optical element 1 that is disposed on the surface 10 a side of the solar cell 10 and transmits sunlight.

上記太陽電池10は、例えば、架台と、この架台に取り付けられた太陽電池セルとを備える。   The solar battery 10 includes, for example, a gantry and solar cells attached to the gantry.

上記光学素子1は、太陽光に対して透明な材料からなり、基板7と、この基板7の一面で、矢印Aにて示す太陽光の入射側に配置されるレンズ2と、上記基板7の他面で、上記太陽電池10側に配置される屈折素子4とを含む。   The optical element 1 is made of a material transparent to sunlight, and includes a substrate 7, a lens 2 disposed on one surface of the substrate 7 on the sunlight incident side indicated by an arrow A, and the substrate 7. On the other side, it includes the refractive element 4 disposed on the solar cell 10 side.

上記レンズ2は、上記太陽光の入射側を向く屈折面20を有する。具体的に述べると、上記レンズ2は、凸レンズであり、この凸レンズの凸面を上記太陽光の入射側に配置している。上記レンズ2の上記基板7との取付面21は、矩形である。   The lens 2 has a refracting surface 20 facing the sunlight incident side. Specifically, the lens 2 is a convex lens, and the convex surface of the convex lens is arranged on the incident side of the sunlight. The mounting surface 21 of the lens 2 with the substrate 7 is rectangular.

上記屈折素子4は、上記太陽電池10側を向く屈折面40を有する。具体的に述べると、上記屈折素子4は、台形プリズムであり、この台形プリズムの屈折面を上記太陽電池10側に配置している。上記屈折素子4の上記基板7との取付面41は、矩形である。   The refractive element 4 has a refractive surface 40 facing the solar cell 10 side. Specifically, the refractive element 4 is a trapezoidal prism, and the refractive surface of the trapezoidal prism is disposed on the solar cell 10 side. The attachment surface 41 of the refraction element 4 with the substrate 7 is rectangular.

上記屈折素子4の取付面41と、上記レンズ2の取付面21とは、同じ大きさであり、対向している。また、上記レンズ2の光軸22と上記屈折素子4の光軸42とは、一致している。   The attachment surface 41 of the refractive element 4 and the attachment surface 21 of the lens 2 have the same size and face each other. The optical axis 22 of the lens 2 and the optical axis 42 of the refractive element 4 are coincident.

上記レンズ2と上記屈折素子4とは、マトリクス状に配列されている。複数の上記レンズ2にて、レンズアレイ3を構成し、複数の上記屈折素子4にて、屈折素子アレイ5を構成する。このとき、隣り合う上記レンズ2,2および隣り合う上記屈折素子4,4は、一体につながっていてもよく、または、別体であってもよい。   The lens 2 and the refractive element 4 are arranged in a matrix. A plurality of the lenses 2 constitute a lens array 3, and a plurality of the refraction elements 4 constitute a refraction element array 5. At this time, the adjacent lenses 2 and 2 and the adjacent refractive elements 4 and 4 may be connected integrally or may be separate.

上記光学素子1は、さらに、上記レンズ2の太陽光の入射側に、所定の屈折率を有する被覆部材6を含む。この被覆部材6の太陽光の入射側の表面6aは、平坦である。この被覆部材6は、例えば、低屈折率の樹脂を含み、隣り合う上記レンズ2,2の間に充填されて、上記光学素子1の表面を平坦化する。   The optical element 1 further includes a covering member 6 having a predetermined refractive index on the sunlight incident side of the lens 2. The surface 6a on the sunlight incident side of the covering member 6 is flat. The covering member 6 includes, for example, a low refractive index resin and is filled between the adjacent lenses 2 and 2 to flatten the surface of the optical element 1.

ここで、太陽光は、上記太陽電池10から無限遠の距離にあると見なすことができるため、上記光学素子1に入射する太陽光は、平行光束と見なせる。以降、上記光学素子1に入射する太陽光を、平行光束と表現する。   Here, since sunlight can be regarded as being at an infinite distance from the solar cell 10, sunlight incident on the optical element 1 can be regarded as a parallel light flux. Hereinafter, sunlight incident on the optical element 1 is expressed as a parallel light flux.

次に、図3を用いて、上記構成の太陽電池モジュールの作用および効果を説明する。   Next, the operation and effect of the solar cell module having the above configuration will be described with reference to FIG.

図3では、一つの上記レンズ2と一つの上記屈折素子(台形プリズム)4とを用いて説明する。ここで、上記光学素子1の機能の目的は、上記太陽電池モジュールの表面に、60°以上の入射角で入射する平行光束を、上記光学素子1により60°以内に抑え、反射損失エネルギーを減少させ、全ての平行光束を太陽電池に取り込むことを可能とすることである。   In FIG. 3, description will be made using one lens 2 and one refractive element (trapezoidal prism) 4. Here, the purpose of the function of the optical element 1 is to reduce the reflection loss energy by suppressing the parallel light beam incident on the surface of the solar cell module at an incident angle of 60 ° or more within 60 ° by the optical element 1. In other words, all the parallel light beams can be taken into the solar cell.

上記光学素子1に対して、入射角度θ1で入射した平行光束12は、所定の屈折率の上記被覆部材6により上記平行光束12を曲げられ、上記レンズ2の屈折面20に入射角度θ2で入射する。その後、上記レンズ2の集光作用により、上記レンズ2の屈折面20から出射角度θ3で出射し、上記屈折素子4の屈折面40に入射角度θ4で入射する。上記屈折素子4の屈折作用により、上記屈折素子4の屈折面40から出射角度θ5で出射し、上記太陽電池10の表面10aに、入射角度θ6で入射する。ここで、上記入射角度とは、上記平行光束12と、この平行光束12が入射する面に垂直な方向との成す角度をいう。 The parallel light beam 12 incident on the optical element 1 at an incident angle θ 1 is bent by the covering member 6 having a predetermined refractive index, and the incident angle θ 2 is incident on the refractive surface 20 of the lens 2. Incident at. Thereafter, the light is emitted from the refracting surface 20 of the lens 2 at an exit angle θ 3 by the condensing action of the lens 2 and is incident on the refracting surface 40 of the refractive element 4 at an incident angle θ 4 . Due to the refraction action of the refraction element 4, the light is emitted from the refraction surface 40 of the refraction element 4 at an emission angle θ 5 and is incident on the surface 10 a of the solar cell 10 at an incident angle θ 6 . Here, the said incident angle means the angle which the said parallel light beam 12 and the direction perpendicular | vertical to the surface into which this parallel light beam 12 injects.

そして、上記レンズ2の光軸22と上記レンズ2の屈折面20との交点から上記レンズ2内に入射された入射光(平行光束12)と、上記レンズ2の光軸22との成す角度θ3は、
上記入射光と上記レンズ2の光軸22とが形成する平面において上記レンズ2の光軸22に垂直な方向の上記レンズ2(の上記取付面21)および上記屈折素子4(の上記取付面41)の長さをLとし、
上記レンズ2の光軸22と上記レンズ2の屈折面20との交点と、上記屈折素子4の光軸42と上記屈折素子4の上記太陽電池10側の面との交点との間の距離をHとすると、
tanθ3≦0.5L/H ・・・(式1)
を満たす。
Then, an angle θ formed between incident light (parallel light beam 12) incident on the lens 2 from the intersection of the optical axis 22 of the lens 2 and the refractive surface 20 of the lens 2 and the optical axis 22 of the lens 2. 3 is
In the plane formed by the incident light and the optical axis 22 of the lens 2, the lens 2 (the mounting surface 21) and the refractive element 4 (the mounting surface 41) in a direction perpendicular to the optical axis 22 of the lens 2. ) Is L,
The distance between the intersection of the optical axis 22 of the lens 2 and the refractive surface 20 of the lens 2 and the intersection of the optical axis 42 of the refractive element 4 and the surface of the refractive element 4 on the solar cell 10 side is expressed as follows. If H,
tan θ 3 ≦ 0.5 L / H (Formula 1)
Meet.

要するに、上記光学素子1に取り込むことのできる上記平行光束12の入射角度範囲は、LとHを使って、上記(式1)のように表される。図3では、上記光学素子1は、上記光軸22,42を中心として対称なため、一方向のみの範囲を示す。   In short, the incident angle range of the parallel light beam 12 that can be taken into the optical element 1 is expressed as (Equation 1) using L and H. In FIG. 3, since the optical element 1 is symmetric about the optical axes 22 and 42, a range in only one direction is shown.

上記被覆部材6の屈折率n2は、1.45であり、上記レンズ2、上記屈折素子4および上記基板7の屈折率n3は、1.59であるため、θ1とθ2の間およびθ2とθ3の間には、
1sinθ1=n2sinθ2 ・・・(式2)
2sinθ2=n3sinθ3 ・・・(式3)
の関係が成り立つ。ここで、空気中の屈折率n1は、1である。
Refractive index n 2 of the cover member 6 is 1.45, the lens 2, a refractive index n 3 of the refractive element 4 and the substrate 7 are the 1.59, between theta 1 and theta 2 And between θ 2 and θ 3
n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 (Expression 2)
n 2 sin θ 2 = n 3 sin θ 3 (Equation 3)
The relationship holds. Here, the refractive index n 1 in the air is 1.

そして、例えば、θ1が、80°であれば、θ2は、42.8°となり、上記レンズ2内へ入射された入射角度θ3は、38.2°となる。したがって、入射角度θ1を80°で入射する平行光束12を、上記光学素子1に取り込むためには、上記(式1)より、1.6≦L/Hの比を満たす上記レンズ2および上記屈折素子4の長さLと、上記レンズ2と上記屈折素子4とを合計した高さHとで、上記光学素子1を設計すればよい。 For example, if θ 1 is 80 °, θ 2 is 42.8 °, and the incident angle θ 3 incident into the lens 2 is 38.2 °. Therefore, in order to capture the parallel light beam 12 incident at an incident angle θ 1 of 80 ° into the optical element 1, the above-described lens 2 that satisfies the ratio of 1.6 ≦ L / H and the above-described formula (1). The optical element 1 may be designed with the length L of the refractive element 4 and the height H of the total of the lens 2 and the refractive element 4.

その後、上記屈折素子4の屈折面40に入射角度θ4で入射する。ここで、上記屈折素子4の屈折面40の射角は45°であるため、θ4は6.8°となる。 Thereafter, the light enters the refractive surface 40 of the refractive element 4 at an incident angle θ 4 . Here, since the angle of incidence of the refracting surface 40 of the refractive element 4 is 45 °, θ 4 is 6.8 °.

上記屈折素子4からの出射角度θ5は、
3sinθ4=n1sinθ5 ・・・(式4)
の関係が成り立つため、θ5は10.8°となり、上記太陽電池10の表面10aに入射する。上記太陽電池10の表面10aは、上記光学素子1と平行に配置されているため、上記太陽電池10の表面10aに入射する入射角度θ6は、上記屈折素子4の射角45°を考慮して、34.2°となる。すなわち、入射角度80°で入射した平行光束12の角度を、上記光学素子1により、34.2°にして、上記太陽電池10の表面10aに入射させることができる。
The exit angle θ 5 from the refractive element 4 is
n 3 sin θ 4 = n 1 sin θ 5 (Expression 4)
Therefore, θ 5 is 10.8 ° and is incident on the surface 10a of the solar cell 10. Since the surface 10a of the solar cell 10 is arranged in parallel with the optical element 1, the incident angle θ 6 incident on the surface 10a of the solar cell 10 takes into account the angle of incidence 45 ° of the refractive element 4. And 34.2 °. That is, the angle of the parallel light beam 12 incident at an incident angle of 80 ° can be made 34.2 ° by the optical element 1 and can be incident on the surface 10 a of the solar cell 10.

このように、上記構成の太陽電池モジュールによれば、上記光学素子1を上記太陽電池モジュールの表層部とすることで、上記太陽電池モジュールの表面に60°以上の入射角で入射してくる広い範囲の平行光束12を、上記太陽電池10の表面10aに対して60°以下で入射するように変換できる。したがって、上記太陽電池10の表面10aでの反射率を下げ、効率よく太陽光を取り込むことができ、集光効率を向上させることができる。   Thus, according to the solar cell module having the above-described configuration, the optical element 1 is used as a surface layer portion of the solar cell module, so that it is incident on the surface of the solar cell module at an incident angle of 60 ° or more. The parallel light flux 12 in the range can be converted so as to be incident on the surface 10a of the solar cell 10 at 60 ° or less. Therefore, the reflectance at the surface 10a of the solar cell 10 can be lowered, sunlight can be taken in efficiently, and the light collection efficiency can be improved.

要するに、上記光学素子1は、上記レンズ2と上記屈折素子4とを含むので、上記レンズ2の集光作用および上記屈折素子4の屈折作用により、太陽光を少なくとも2回屈折させることができる。すなわち、この発明の太陽電池モジュールは、上記レンズアレイ3と上記屈折素子アレイ5から成る集光器を用いた集光型太陽電池モジュールといえる。   In short, since the optical element 1 includes the lens 2 and the refraction element 4, sunlight can be refracted at least twice by the condensing action of the lens 2 and the refraction action of the refraction element 4. That is, the solar cell module of the present invention can be said to be a concentrating solar cell module using a concentrator composed of the lens array 3 and the refractive element array 5.

また、上記レンズ2と上記屈折素子4とは、別体であるので、上記レンズ2および上記屈折素子4において、種類の違うものを組み合わせて、所望の形状や性質を有する上記光学素子1を容易に製造できる。また、上記レンズ2および上記屈折素子4にて太陽光を屈折させるので、上記レンズ2および上記屈折素子4のそれぞれの屈折面20,40等の形状を厳密に形成する必要がなくて、上記レンズ2および上記屈折素子4のそれぞれの製造が容易になる、さらに、上記レンズ2の屈折面20と上記屈折素子4の屈折面40とは、それぞれ、外側を向くので、上記レンズ2と上記屈折素子4とを背中合わせに、一体に取り付けることができ、上記光学素子1の小型化を図ることができる。   Further, since the lens 2 and the refractive element 4 are separate, the optical element 1 having a desired shape and properties can be easily obtained by combining different types of the lens 2 and the refractive element 4. Can be manufactured. Further, since the sunlight is refracted by the lens 2 and the refraction element 4, it is not necessary to strictly form the shapes of the refraction surfaces 20 and 40 of the lens 2 and the refraction element 4. 2 and the refractive element 4 can be easily manufactured. Further, the refractive surface 20 of the lens 2 and the refractive surface 40 of the refractive element 4 face the outside, so that the lens 2 and the refractive element 4 4 can be attached together back to back, and the optical element 1 can be miniaturized.

また、上記レンズ2の光軸22と上記屈折素子4の光軸42とは、一致しているので、上記レンズ2と上記屈折素子4との間での光線のケラレなどが発生せず、上記レンズ2に入射した平行光束12を全て上記屈折素子4に入射させることができる。   Further, since the optical axis 22 of the lens 2 and the optical axis 42 of the refraction element 4 coincide with each other, vignetting of the light beam between the lens 2 and the refraction element 4 does not occur. All the parallel light beams 12 incident on the lens 2 can be incident on the refractive element 4.

また、上記レンズ2と上記屈折素子4とは、マトリクス状に配列されているので、複数の上記レンズ2および上記屈折素子4を稠密に配置することができ、個々の上記レンズ2および上記屈折素子4の配置方向によらず、一年を通して効率よく集光できる。   Further, since the lens 2 and the refraction element 4 are arranged in a matrix, a plurality of the lenses 2 and the refraction element 4 can be densely arranged. Regardless of the arrangement direction of 4, the light can be collected efficiently throughout the year.

また、上記被覆部材6を設けることにより、上記光学素子1に取り込める太陽光の入射角度範囲を広くすることができて、集光効率を上げることができる。さらに、この被覆部材6は、上記レンズ2を保護する役割を担い、上記レンズ2の損傷を防ぐことができる。しかも、この被覆部材6の表面6aは、平坦であるので、太陽光を確実に屈折させて上記レンズ2へ導くことができる。   Further, by providing the covering member 6, the incident angle range of sunlight that can be taken into the optical element 1 can be widened, and the light collection efficiency can be increased. Further, the covering member 6 serves to protect the lens 2 and can prevent the lens 2 from being damaged. Moreover, since the surface 6a of the covering member 6 is flat, sunlight can be reliably refracted and guided to the lens 2.

なお、上記実施形態では、上記屈折素子4としては、台形プリズムを用いたが、その他にも、球面レンズや円筒レンズであっても、同等の効果を得ることができる。また、上記実施形態では、上記レンズアレイ3上に上記被覆部材6を設けたが、この被覆部材6が無くても、上記レンズ2の効果は得られるため、上記光学素子1としては、同等の効果が得られる。但し、この場合の平行光束12の入射角度範囲は狭くなる。   In the above embodiment, a trapezoidal prism is used as the refraction element 4, but the same effect can be obtained even with a spherical lens or a cylindrical lens. In the above embodiment, the covering member 6 is provided on the lens array 3. However, since the effect of the lens 2 can be obtained without the covering member 6, the optical element 1 is equivalent. An effect is obtained. However, the incident angle range of the parallel light beam 12 in this case becomes narrow.

次に、図4A〜図4Iを用いて、上記光学素子1の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the optical element 1 will be described with reference to FIGS. 4A to 4I.

まず、図4A〜図4Eにて、上記レンズアレイ3の形成方法を説明する。すなわち、このレンズアレイ3の形成方法は、紫外線照射により硬化する紫外線硬化樹脂を用いた、いわゆる2P(Photo−Polymerization)法により、樹脂基板の上に上記レンズアレイ3を成形する方法である。この実施形態では、稠密に配列された矩形レンズアレイを用いたが、レンズ形状はそれに限らず、六角形、円形または円筒形であっても構わない。   First, a method of forming the lens array 3 will be described with reference to FIGS. 4A to 4E. That is, the lens array 3 is formed by molding the lens array 3 on a resin substrate by a so-called 2P (Photo-Polymerization) method using an ultraviolet curable resin that is cured by ultraviolet irradiation. In this embodiment, a densely arranged rectangular lens array is used, but the lens shape is not limited thereto, and may be a hexagonal shape, a circular shape, or a cylindrical shape.

具体的に述べると、まず、図4Aに示すように、レンズアレイ成形用の矩形凹型形状のスタンパ31を製造する。この実施形態では、スタンパとなる石英基板の上にポジ型電子線レジストを塗布し、電子線露光によってレンズアレイの凹型形状を形成し、その後、ドライエッチングにより石英基板に凹型形状を転写してスタンパ31を製造した。   More specifically, first, as shown in FIG. 4A, a rectangular concave stamper 31 for forming a lens array is manufactured. In this embodiment, a positive electron beam resist is applied on a quartz substrate serving as a stamper, a concave shape of the lens array is formed by electron beam exposure, and then the concave shape is transferred to the quartz substrate by dry etching. 31 was produced.

次に、図4Bに示すように、レンズアレイ成形用の矩形凹型形状の石英スタンパ31の成形面32に、高屈折率の紫外線硬化樹脂33を盛り付ける。さらに、図4Cに示すように、上記紫外線硬化樹脂33の上から樹脂基板7の一面(表面)を押し付けて加圧し、上記紫外線硬化樹脂33を成形する。   Next, as shown in FIG. 4B, a high refractive index ultraviolet curable resin 33 is placed on the molding surface 32 of the rectangular concave quartz stamper 31 for molding the lens array. Further, as shown in FIG. 4C, one surface (surface) of the resin substrate 7 is pressed and pressed from above the ultraviolet curable resin 33 to mold the ultraviolet curable resin 33.

そして、図4Dに示すように、上記樹脂基板7の他面(裏面)から紫外線を照射して硬化させる。その後、上記スタンパ31から離型し、図4Eに示すように、上記基板7の一面に、レンズアレイ3を形成する。このようにして、複数のレンズ2が稠密に配置された矩形レンズアレイ3を、上記基板7の一面に作製する。   Then, as shown in FIG. 4D, the resin substrate 7 is cured by being irradiated with ultraviolet rays from the other surface (back surface). Thereafter, the mold is released from the stamper 31, and the lens array 3 is formed on one surface of the substrate 7 as shown in FIG. 4E. In this way, a rectangular lens array 3 in which a plurality of lenses 2 are densely arranged is manufactured on one surface of the substrate 7.

次に、図4F〜図4Iにて、上記屈折素子4の形成方法を説明する。ここでは、上記レンズアレイ3によって集光された光を用いて、上記屈折素子アレイ5である台形プリズムアレイを形成する。   Next, a method for forming the refractive element 4 will be described with reference to FIGS. 4F to 4I. Here, the trapezoidal prism array which is the refractive element array 5 is formed using the light condensed by the lens array 3.

まず、図4Fに示すように、上記レンズアレイ3を形成した面と反対側の面である上記基板7の他面に、台形プリズムアレイを形成するためのネガレジスト34をスピンコートにより塗布する。この実施形態で用いたネガレジスト34は、紫外線を吸収して硬化し、永久膜としての使用が可能なものである。   First, as shown in FIG. 4F, a negative resist 34 for forming a trapezoidal prism array is applied by spin coating on the other surface of the substrate 7 which is the surface opposite to the surface on which the lens array 3 is formed. The negative resist 34 used in this embodiment is cured by absorbing ultraviolet rays and can be used as a permanent film.

次に、図4Gに示すように、上記ネガレジスト34が感度を持つ、波長365nm付近の光を平行光として、上記レンズアレイ3側から入射する。   Next, as shown in FIG. 4G, light with a wavelength of around 365 nm having sensitivity of the negative resist 34 is incident as parallel light from the lens array 3 side.

ここで、上記レンズアレイ3を形成する各々のレンズ2の焦点は、上記ネガレジスト34の外側にある。このネガレジスト34は、広がりをもった光30で露光され、その強度分布に対応した形状に、上記ネガレジスト34の硬化が促進する。このネガレジスト34は、露光時間を長くまたは露光強度を強くするほど、硬化範囲が広くなる性質をもつ。したがって、上記屈折素子4である台形プリズムを形成するためには、上記レンズ2へ入射する平行光の入射角度を変化させ、焦点位置を移動させて、x−z面を形成し、また、露光強度または露光時間を変化させ、露光量を変えて、硬化深さを変化させることで、y方向を形成し、上記ネガレジスト34に台形硬化部35を形成する。   Here, the focal point of each lens 2 forming the lens array 3 is outside the negative resist 34. The negative resist 34 is exposed to light 30 having a spread, and the curing of the negative resist 34 is promoted to a shape corresponding to the intensity distribution. The negative resist 34 has a property that the curing range becomes wider as the exposure time is increased or the exposure intensity is increased. Therefore, in order to form the trapezoidal prism as the refraction element 4, the incident angle of the parallel light incident on the lens 2 is changed, the focal position is moved, the xz plane is formed, and the exposure is performed. By changing the intensity or exposure time, changing the exposure amount, and changing the curing depth, the y direction is formed, and the trapezoidal cured portion 35 is formed in the negative resist 34.

その後、上記ネガレジスト34を、1%濃度の炭酸ナトリウムで現像を行い、上記ネガレジスト34の上記台形硬化部35以外の未硬化部36を除去し、図4Hに示すように、台形プリズム(屈折素子4)から成る台形プリズムアレイ(屈折素子アレイ5)を得る。   Thereafter, the negative resist 34 is developed with 1% sodium carbonate to remove the uncured portion 36 other than the trapezoid cured portion 35 of the negative resist 34. As shown in FIG. A trapezoidal prism array (refractive element array 5) comprising elements 4) is obtained.

最後に、図4Iに示すように、上記レンズアレイ3上に、低屈折率樹脂37を、スピンコート法で塗布するか、もしくは、平坦な型を押し付け、紫外線照射で硬化させて、平坦化を行い、図2に示すように、上記被覆部材6を形成する。   Finally, as shown in FIG. 4I, a low refractive index resin 37 is applied on the lens array 3 by a spin coating method, or a flat mold is pressed and cured by ultraviolet irradiation to flatten the surface. Then, as shown in FIG. 2, the covering member 6 is formed.

このようにして作製された光学素子1の屈折素子4を、図2に示すように、上記太陽電池10の表面10a側に配置して、太陽電池モジュールを製造する。なお、上記屈折素子4を、球面レンズや円筒レンズにする場合についても、同様の方法で作製できる。   The refractive element 4 of the optical element 1 thus produced is arranged on the surface 10a side of the solar cell 10 as shown in FIG. 2 to manufacture a solar cell module. The refraction element 4 can be manufactured by a similar method when it is a spherical lens or a cylindrical lens.

以上まとめると、この発明の太陽電池モジュールの製造方法は、
上記基板7の一面に上記レンズ2を取り付ける工程と、
この基板7の他面に感光性材料を塗布する工程と、
光源からの光を均一な光強度分布の平行光として上記レンズ2に入射し、上記レンズ2によって上記感光性材料中に集光して上記屈折素子4を形成する工程と、
上記屈折素子4を上記太陽電池10の表面10a側に配置する工程と
を備える。
In summary, the manufacturing method of the solar cell module of the present invention is as follows.
Attaching the lens 2 to one surface of the substrate 7;
Applying a photosensitive material to the other surface of the substrate 7;
The light from the light source is incident on the lens 2 as parallel light having a uniform light intensity distribution, and is condensed in the photosensitive material by the lens 2 to form the refractive element 4;
A step of disposing the refractive element 4 on the surface 10a side of the solar cell 10.

このように、この発明の太陽電池モジュールの製造方法によれば、上記レンズ2を用いて上記屈折素子4を作製するため、上記レンズ2の光軸22と上記屈折素子4の光軸42とを一致させることができる。さらに、上記レンズアレイ3を用いて上記屈折素子アレイ5を作製するため、上記レンズアレイ3を構成する各々のレンズ2と、このレンズ2に1対1に対応した上記屈折素子アレイ5を構成する各々の上記屈折素子4との中心(光軸)が、完全に一致している。このため、上記レンズ2と上記屈折素子4との間での光線のケラレなどが発生せず、上記レンズ2に入射した平行光束12(太陽光)を全て、上記屈折素子4に入射させることができる。したがって、集光効率の高い太陽電池モジュールを実現できる。   As described above, according to the method for manufacturing a solar cell module of the present invention, since the refractive element 4 is produced using the lens 2, the optical axis 22 of the lens 2 and the optical axis 42 of the refractive element 4 are Can be matched. Further, since the refractive element array 5 is produced using the lens array 3, each of the lenses 2 constituting the lens array 3 and the refractive element array 5 corresponding to the lens 2 in a one-to-one relationship are formed. The center (optical axis) with each of the refraction elements 4 is completely coincident. For this reason, vignetting of the light beam between the lens 2 and the refraction element 4 does not occur, and all the parallel light flux 12 (sunlight) incident on the lens 2 can be incident on the refraction element 4. it can. Therefore, a solar cell module with high light collection efficiency can be realized.

本発明の太陽電池モジュールの一実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows one Embodiment of the solar cell module of this invention. 太陽電池モジュールの一部構成図である。It is a partial block diagram of a solar cell module. 太陽電池モジュールの作用説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of a solar cell module. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第1の工程図である。It is a 1st process drawing which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第2の工程図である。It is a 2nd process figure which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第3の工程図である。It is a 3rd process figure which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第4の工程図である。It is a 4th process figure which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第5の工程図である。It is a 5th process drawing which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第6の工程図である。It is a 6th process figure which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第7の工程図である。It is a 7th process drawing which shows the manufacturing method of the solar cell module of the present invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第8の工程図である。It is an 8th process drawing which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention. 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す第9の工程図である。It is a 9th process drawing which shows the manufacturing method of the solar cell module of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 光学素子
2 レンズ
20 屈折面
22 光軸
4 屈折素子
40 屈折面
42 光軸
6 被覆部材
6a 表面
7 基板
10 太陽電池
10a 表面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical element 2 Lens 20 Refractive surface 22 Optical axis 4 Refractive element 40 Refractive surface 42 Optical axis 6 Cover member 6a Surface 7 Substrate 10 Solar cell 10a Surface

Claims (7)

太陽電池と、
この太陽電池の表面側に配置されると共に太陽光を透過する光学素子と
を備え、
この光学素子は、
太陽光の入射側に配置されると共にこの太陽光の入射側を向く屈折面を有するレンズと、
上記太陽電池側に配置されると共にこの太陽電池側を向く屈折面を有する屈折素子と
を含むことを特徴とする太陽電池モジュール。
Solar cells,
An optical element disposed on the surface side of the solar cell and transmitting sunlight;
This optical element is
A lens disposed on the sunlight incident side and having a refracting surface facing the sunlight incident side;
A solar cell module comprising: a refractive element disposed on the solar cell side and having a refractive surface facing the solar cell side.
請求項1に記載の太陽電池モジュールにおいて、
上記レンズの光軸と上記屈折素子の光軸とは、一致していることを特徴とする太陽電池モジュール。
The solar cell module according to claim 1, wherein
The solar cell module, wherein an optical axis of the lens and an optical axis of the refractive element are coincident.
請求項2に記載の太陽電池モジュールにおいて、
上記レンズと上記屈折素子とは、マトリクス状に配列されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
In the solar cell module according to claim 2,
The solar cell module, wherein the lens and the refractive element are arranged in a matrix.
請求項1に記載の太陽電池モジュールにおいて、
上記光学素子は、さらに、上記レンズの太陽光の入射側に、所定の屈折率を有する被覆部材を含むことを特徴とする太陽電池モジュール。
The solar cell module according to claim 1, wherein
The optical element further includes a covering member having a predetermined refractive index on the sunlight incident side of the lens.
請求項4に記載の太陽電池モジュールにおいて、
上記被覆部材の太陽光の入射側の表面は、平坦であることを特徴とする太陽電池モジュール。
In the solar cell module according to claim 4,
The solar cell module according to claim 1, wherein the surface of the covering member on the sunlight incident side is flat.
請求項2に記載の太陽電池モジュールにおいて、
上記レンズの光軸と上記レンズの屈折面との交点から上記レンズ内に入射された入射光と、上記レンズの光軸との成す角度θは、
上記入射光と上記レンズの光軸とが形成する平面において上記レンズの光軸に垂直な方向の上記レンズおよび上記屈折素子の長さをLとし、
上記レンズの光軸と上記レンズの屈折面との交点と、上記屈折素子の光軸と上記屈折素子の上記太陽電池側の面との交点との間の距離をHとすると、
tanθ≦0.5L/H
を満たすことを特徴とする太陽電池モジュール。
In the solar cell module according to claim 2,
The angle θ formed between the incident light entering the lens from the intersection of the optical axis of the lens and the refractive surface of the lens and the optical axis of the lens is
The length of the lens and the refractive element in the direction perpendicular to the optical axis of the lens in a plane formed by the incident light and the optical axis of the lens is L,
When the distance between the intersection between the optical axis of the lens and the refractive surface of the lens and the intersection between the optical axis of the refractive element and the surface of the refractive element on the solar cell side is H,
tanθ ≦ 0.5L / H
A solar cell module characterized by satisfying
基板の一面にレンズを取り付ける工程と、
この基板の他面に感光性材料を塗布する工程と、
光源からの光を均一な光強度分布の平行光として上記レンズに入射し、上記レンズによって上記感光性材料に集光して屈折素子を形成する工程と、
上記屈折素子を太陽電池の表面側に配置する工程と
を備えることを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
Attaching the lens to one side of the substrate;
Applying a photosensitive material to the other surface of the substrate;
A step of making light from a light source incident on the lens as parallel light having a uniform light intensity distribution, condensing the light on the photosensitive material by the lens, and forming a refractive element;
And a step of disposing the refractive element on the surface side of the solar cell.
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