JP4454666B2 - 太陽電池、集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電ユニット、および太陽電池製造方法 - Google Patents

太陽電池、集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電ユニット、および太陽電池製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽光を太陽電池素子へ導光する導光路と太陽光を太陽電池素子へ反射する反射面とを有する反射部材を備えた太陽電池、そのような太陽電池を備えた集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電ユニット、およびそのような太陽電池を製造する太陽電池製造方法に関する。
太陽光発電装置としては、太陽電池素子を隙間無く敷き詰めて構成した太陽光発電モジュールを屋根の上などに設置した非集光固定型の平板式構造が一般的である。これに対し、太陽光発電装置を構成する部材(部品)の中で価格が高い太陽電池素子の使用量を減らす技術が提案されている。
つまり、光学レンズや反射鏡などを用いて太陽光を集光し、集光した太陽光を小面積の太陽電池素子に照射することで、太陽電池素子の単位面積あたりの発電電力を大きくし、太陽電池素子のコスト(つまり、太陽光発電装置のコスト)を削減することが提案されている。
一般に集光倍率を上げるほど太陽電池素子の光電変換効率は向上する。しかし、太陽電池素子の位置を固定したままでは太陽光が斜光となって入射することが多くなり、太陽光を有効に利用することができない。したがって、太陽を追尾して太陽光を常に正面で受光するように構成した高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置が提案されている(例えば、特許文献1ないし特許文献3参照。)。
図5は、従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。
従来例に係る集光型太陽光発電モジュール140mは、光軸Laxと平行に入射面に対して垂直に入射する太陽光Lsv(太陽光Ls)を受光して集光する集光レンズ142と、集光レンズ142により集光された太陽光Ls(太陽光Lsa)を光電変換する太陽電池110とを備える。また、太陽電池110は、集光レンズ142により焦点位置FPへ集光された太陽光Lsaを光電変換する太陽電池素子111と、太陽電池素子111が載置されたレシーバ基板120とを備える。
従来の追尾集光型太陽光発電装置は、集光レンズ142の作用により高集光倍率とした集光型太陽光発電モジュール140mを適用していた。
高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置では、一般的に集光レンズ142を適用して集光を行なう。しかし、集光レンズ142による屈折は、太陽光Lsが含む幅広い波長の各波長に対してそれぞれわずかに異なることから、波長領域(太陽電池素子111の感度波長領域の内で、特に短波長領域の波長)によっては、屈折状態が通常の場合と大きく異なって太陽電池素子111に集光されない太陽光Ls(太陽光Lsb)が生じる場合がある。
また、集光レンズ142と太陽電池素子111とのアライメント誤差、太陽光発電モジュール140mを構成する部材の温度特性の差による位置ズレなどが生じることから、屈折状態が異なる場合と同様に太陽電池素子111以外の領域に位置ズレをした集光されない太陽光Ls(太陽光Lss)を生じる場合がある。
したがって、波長領域による屈折状態の相違、各構成部材間の位置ズレなどを原因として太陽電池素子111への集光がされない太陽光Ls(太陽光Lsb、Lss)は、太陽電池素子111に対する実質的な入射光量を減少することとなり、太陽電池素子111の発電電力(出力)を低下させて損失を生じるという問題がある。
また、太陽電池素子111以外の領域に位置ズレをした太陽光Lssが照射されると、位置ズレした太陽光Lssの熱エネルギーにより照射部分の部材(例えば、レシーバ基板120上の絶縁膜、配線など)が高温になり、場合によっては焼損(破損)することがあるという問題があった。
さらに、太陽電池素子111に入射した太陽光Lsaのうち太陽電池素子111が吸収しきれず、太陽電池素子111から反射する太陽光Lscは損失となり太陽電池素子111の発電電力(出力)が低下するという問題があった。
また、太陽電池素子111は、集光された太陽光Lsaによって発熱し、その結果発電電力(出力)が低下するという問題があった。
米国特許第5167724号明細書 特開2002−289897号公報 特開2003−258291号公報
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、集光された太陽光を無駄なく太陽電池素子に照射させ、また、レシーバ基板の表側からの放熱性を向上させ、位置ズレした太陽光を反射させる反射部材を設けることによって太陽電池素子の出力特性を向上し、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた太陽電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池を備える集光型太陽光発電モジュールであって、集光レンズによって集光した太陽光を無駄なく利用し、放熱性を向上させることによって、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた集光型太陽光発電モジュールを提供することを他の目的とする。
また、本発明は、長尺状フレームに沿って配置された複数の集光型太陽光発電モジュールを備える集光型太陽光発電ユニットであって、集光レンズによって集光した太陽光を無駄なく利用し、放熱性を向上させることことによって、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた集光型太陽光発電ユニットを提供することを他の目的とする。
また、本発明は、集光された太陽光を光電変換する太陽電池を製造する太陽電池製造方法であって、導光路および反射面を有する反射部材をレシーバ基板に高精度に当接、配置させて樹脂封止部を高精度に形成することによって、集光レンズによって集光した太陽光を無駄なく利用し、放熱性を向上させて発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた太陽電池を生産性良く製造することが可能な太陽電池製造方法を提供することを他の目的とする。
本発明に係る太陽電池は、集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、該太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、前記太陽電池素子を樹脂封止する樹脂封止部とを備える太陽電池であって、太陽光を前記太陽電池素子へ導光する導光路と該導光路を画定して太陽光を前記太陽電池素子へ反射する反射面とを有し前記太陽電池素子の外周で前記レシーバ基板に当接して配置された反射部材を備え、前記樹脂封止部は、前記導光路を樹脂封止して形成してあり、前記導光路は、太陽光を太陽電池素子に照射する照射窓と、該照射窓より大きく形成され太陽光を導入する光導入窓と、前記照射窓より大きく形成され前記太陽電池素子の周囲で前記レシーバ基板に当接する当接窓とを備え、前記反射面は、前記照射窓および前記光導入窓の間に形成され太陽光を反射して前記太陽電池素子へ導光する光導入側反射面と、前記照射窓および前記当接窓の間に形成され太陽光を前記太陽電池素子へ反射する基板側反射面とを備えることを特徴とする。
この構成により、反射部材が画定する導光路を樹脂封止部として太陽電池素子に対して高精度に位置合わせすることが可能となるので、集光された太陽光を無駄なく太陽電池素子に照射させ、また、レシーバ基板の表側からの放熱性を向上させ、位置ズレした太陽光を反射させる反射部材を設けることによって太陽電池素子の出力特性を向上させ、発電効率を向上させて、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた太陽電池とすることができる。
また、外部から光導入窓に入射した太陽光を光導入側反射面で効率良く高精度に照射窓に集光して太陽電池素子に照射すると共に、太陽電池素子が吸収しきれず太陽電池素子側から反射した太陽光を基板側反射面で再度反射して太陽電池素子へ照射することが可能となるので、太陽光を無駄なく利用して発電電力および発電効率をさらに向上させることができる。
また、本発明に係る太陽電池では、前記レシーバ基板は金属のベース基台を有し、前記反射部材は前記ベース基台に当接させてあることを特徴とする。
この構成により、太陽電池素子から反射部材までの間の熱抵抗を低減することが可能となるので、太陽電池素子およびレシーバ基板で発生した熱をベース基台および反射部材を介して効率良く外部へ放熱することが可能となる。
また、本発明に係る太陽電池では、前記反射部材は、前記レシーバ基板に当接する側とは異なる側で前記導光路の外周領域に櫛の歯状のフィンを備えることを特徴とする。
この構成により、反射部材の放熱性を向上させることが可能となるので、太陽電池の発電効率を向上させ、発電電力の低下を防止することができる。
また、本発明に係る太陽電池では、前記太陽電池素子の直上位置での前記樹脂封止部の厚さは、前記反射部材の厚さ以上の厚さとしてあることを特徴とする。
この構成により、太陽電池素子への異物の付着を防止し、樹脂封止部の表面を非焦点位置とすることが可能となるので、樹脂封止部の表面での太陽光の強度を抑制して樹脂封止部の表面での温度上昇を抑制し、樹脂封止部の表面に異物が付着した場合に太陽電池素子の損傷、破壊を防止して安全性および信頼性の高い太陽電池とすることが可能となる。
また、本発明に係る太陽電池では、前記樹脂封止部の表面は、平坦面としてあることを特徴とする。
この構成により、太陽光を高精度に樹脂封止部へ導光することが可能となるので、太陽電池素子へ照射される太陽光の入射精度を向上して安定化させ、発電効率を安定させることができる。
また、本発明に係る太陽電池では、前記樹脂封止部の表面は、カバー部材で被覆してあることを特徴とする。
この構成により、樹脂封止部への水分の浸入を防止することが可能となるので、太陽電池素子を水分の浸入から保護して信頼性の高い太陽電池とすることができる。
また、本発明に係る太陽電池では、前記反射部材は、金属で形成してあることを特徴とする。
この構成により、光導入側反射面および基板側反射面の反射性が高く、放熱性の高い反射部材を容易かつ高精度に形成することことが可能となるので、反射部材を量産性良く形成することができる。
また、本発明に係る集光型太陽光発電モジュールは、太陽光を集光する集光レンズと、該集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池とを備える集光型太陽光発電モジュールであって、前記太陽電池は、本願発明に係る太陽電池であることを特徴とする。
この構成により、集光レンズによって集光した太陽光を太陽電池で無駄なく利用でき、放熱性を向上させることが可能となるので、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた集光型太陽光発電モジュールとすることができる。
また、本発明に係る集光型太陽光発電ユニットは、長尺状フレームと、該長尺状フレームに沿って配置された複数の集光型太陽光発電モジュールとを備える集光型太陽光発電ユニットであって、前記集光型太陽光発電モジュールは、本願発明に係る集光型太陽光発電モジュールであることを特徴とする。
この構成により、集光レンズによって集光した太陽光を集光型太陽光発電モジュールで無駄なく利用でき、放熱性を向上させることが可能となるので、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた集光型太陽光発電ユニットとすることができる。
また、本発明に係る太陽電池製造方法は、集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、該太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、前記太陽電池素子を樹脂封止する樹脂封止部と、太陽光を前記太陽電池素子へ導光する導光路と該導光路を画定して太陽光を前記太陽電池素子へ反射する反射面とを有し前記太陽電池素子の外周で前記レシーバ基板に当接して配置された反射部材とを備え、前記樹脂封止部は、前記導光路を樹脂封止して形成してあり、前記導光路は、太陽光を太陽電池素子に照射する照射窓と、該照射窓より大きく形成され太陽光を導入する光導入窓と、前記照射窓より大きく形成され前記太陽電池素子の周囲で前記レシーバ基板に当接する当接窓とを備え、前記反射面は、前記照射窓および前記光導入窓の間に形成され太陽光を反射して前記太陽電池素子へ導光する光導入側反射面と、前記照射窓および前記当接窓の間に形成され太陽光を前記太陽電池素子へ反射する基板側反射面とを備える太陽電池を製造する太陽電池製造方法であって、金属を成形加工して前記反射部材を準備する反射部材準備工程と、前記反射部材を前記太陽電池素子の外周で前記レシーバ基板に当接させて配置する反射部材配置工程と、前記導光路に封止樹脂を充填して前記樹脂封止部を形成する樹脂封止工程と、前記樹脂封止部の表面を加工して平坦面を形成する平坦面形成工程とを備えることを特徴とする。
この構成により、導光路および反射面を有する反射部材をレシーバ基板に高精度に当接、配置させて樹脂封止部を高精度に形成することが可能となるので、集光レンズによって集光した太陽光を無駄なく利用し、放熱性を向上させて発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた太陽電池を生産性良く製造することができる。
本発明に係る太陽電池によれば、樹脂封止部とされた導光路と太陽光を太陽電池素子へ反射する反射面とを有してレシーバ基板に当接して配置された反射部材を備えることから、集光された太陽光を無駄なく太陽電池素子に集束して照射させ、また、レシーバ基板の表側からの放熱性を向上させ、位置ズレした太陽光を反射させることが可能となり、レシーバ基板の温度上昇を抑制(低減)し、また、太陽電池素子の出力特性を向上させ、発電効率を向上させて、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させることができるという効果を奏する。また、外部から光導入窓に入射した太陽光を光導入側反射面で効率良く高精度に照射窓に集光して太陽電池素子に照射すると共に、太陽電池素子が吸収しきれず太陽電池素子側から反射した太陽光を基板側反射面で再度反射して太陽電池素子へ照射することが可能となるので、太陽光を無駄なく利用して発電電力および発電効率をさらに向上させることができる。
また、本発明に係る太陽電池によれば、集光レンズによる集光では太陽電池素子への集光が困難であった特定波長領域の太陽光についても導光路によって太陽電池素子へ高精度に集光することが可能となり、集光レンズと太陽電池素子との位置合わせ誤差、太陽光発電モジュールを構成する部材の温度特性の差による位置ズレなどが原因で発生する太陽電池素子に対する実質的な入射光量の減少を防止することが可能となるという効果を奏する。
また、本発明に係る集光型太陽光発電モジュールによれば、太陽光を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池とを備え、太陽電池を本発明に係る太陽電池で構成することから、集光レンズによって集光した太陽光を太陽電池で無駄なく利用でき、放熱性を向上させることが可能となるので、出力特性および発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させることが可能となるという効果を奏する。
また、本発明に係る集光型太陽光発電ユニットによれば、長尺状フレームと、長尺状フレームに沿って配置された複数の集光型太陽光発電モジュールとを備え、集光型太陽光発電モジュールを本発明に係る集光型太陽光発電ユニットで構成することから、集光レンズによって集光した太陽光を集光型太陽光発電モジュールで無駄なく利用でき、放熱性を向上させることが可能となるので、出力特性および発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させることが可能となるという効果を奏する。
また、本発明に係る太陽電池製造方法によれば、導光路および反射面を有する反射部材をレシーバ基板に高精度に当接、配置させて樹脂封止部を高精度に形成することから、集光レンズによって集光した太陽光を無駄なく利用し、放熱性を向上させて出力特性および発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた太陽電池を生産性良く製造することが可能となるという効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
<実施の形態1>
図1および図2に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池、および集光型太陽光発電モジュールについて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る太陽電池および集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。図2は、図1に示した太陽電池を集光レンズの側から見た状態を示す平面図である。
本実施の形態に係る太陽電池10は、光軸Laxに対して垂直方向に配置された集光レンズ42により集光された太陽光Lsaを光電変換する太陽電池素子11と、太陽電池素子11が載置されたレシーバ基板20と、太陽電池素子11を樹脂封止する樹脂封止部63とを備える。
太陽電池10は、集光レンズ42に対して垂直方向(光軸Laxと平行な方向)に入射した太陽光Lsv(太陽光Ls)を集光レンズ42で集光した太陽光Ls(集光レンズ42による集光によって太陽電池素子11へ直接照射される太陽光Lsa。集光レンズ42を介して集光されたが位置ズレを生じた状態となり、導光路65に対して斜交する方向で導光され反射面62rによる反射によって太陽電池素子11へ照射される太陽光Lsb。以下、太陽光Lsv、太陽光Lsa、太陽光Lsbを区別する必要がない場合には、単に太陽光Lsとすることがある。)を太陽電池素子11へ導光する導光路65と導光路65を画定して太陽光Lsを太陽電池素子11へ反射する反射面62rとを有し太陽電池素子11の外周でレシーバ基板20に当接して配置された反射部材62を備える。なお、樹脂封止部63は、導光路65を樹脂封止して形成してある。
本実施の形態に係る太陽電池10では、反射部材62が画定する導光路65を樹脂封止部63として太陽電池素子11に対して高精度に位置合わせすることが可能となるので、集光された太陽光Ls(太陽光Lsa、太陽光Lsb)を無駄なく太陽電池素子11に照射させ、また、太陽電池素子11が吸収しきれず太陽電池素子11から反射した太陽光Ls(太陽光Lsc。以下、太陽光Lsa、太陽光Lsbに対して太陽光Lscを区別する必要がない場合には、単に太陽光Lsとすることがある。)を再度太陽電池素子11へ反射して吸収させ、レシーバ基板20の表側(太陽電池素子11側)からの放熱性を向上させ、導光路65に対して位置ズレした太陽光Ls(太陽光Lss。なお、太陽光Lsa、太陽光Lsb、太陽光Lscに対して太陽光Lssを区別する必要がない場合には、単に太陽光Lsとすることがある。)を反射させる反射部材62を設けることによって太陽電池素子11の出力特性を向上させ、発電効率を向上させて、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させることができる。
導光路65は、導光路65へ導光された太陽光Ls(太陽光Lsa、太陽光Lsb)を太陽電池素子11に照射する照射窓62fと、照射窓62fより大きく形成され太陽光Lsを導入する光導入窓62wと、照射窓62fより大きく形成され太陽電池素子11の周囲でレシーバ基板20に当接する当接窓62tとを備える。
反射面62rは、照射窓62fおよび光導入窓62wの間に形成され太陽光Lsbを反射して太陽電池素子11へ導光する光導入側反射面62rwと、照射窓62fおよび当接窓62tの間に形成され太陽光Ls(太陽電池素子11で吸収されずに太陽電池素子11から反射した太陽光Lsc)を太陽電池素子11へ反射する基板側反射面62rbとを備える。
したがって、外部から光導入窓62wに入射した太陽光Ls(太陽光Lsa、太陽光Lsb)を光導入側反射面62rwで効率良く高精度に照射窓62fに集光して太陽電池素子11へ照射すると共に、太陽電池素子11で吸収されずに反射した太陽光Ls(太陽光Lsc)を基板側反射面62rbで再度反射して太陽電池素子11へ照射することが可能となるので、太陽光Lsを無駄なく利用して発電電力および発電効率をさらに向上させることができる。
太陽電池素子11は、例えばSi、GaAs、CuInGaSe、CdTeなどの無機材料で構成してある。また、太陽電池素子11の構造は、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル、波長感度領域の異なる種々の太陽電池セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造を適用することが可能である。
また、太陽電池素子11の外形サイズは、使用する太陽電池材料の削減、加工の安さ、工程の容易性、簡略化などの観点から、数mm程度から20mm程度までとすることが望ましい。
また、太陽電池素子11の感度波長領域での光反射率を低減するために、太陽電池素子11の表面に適当な反射防止膜などを設けても良い。さらに、太陽電池素子11の感度波長領域以外の波長での光を反射するUV反射膜、赤外線反射膜などを設けても良い。
レシーバ基板20は、例えばアルミニウム板、銅板などのベース基台(不図示)に適宜の絶縁層を介して所望の配線(太陽電池素子11の電極(不図示)に接続され、外部への取り出しを行なう接続パターン。また、太陽電池10相互間を直列、あるいは並列に接続するための接続パターン。不図示)が形成してある。
つまり、太陽電池素子11が発生した電流はレシーバ基板20に形成された配線により太陽電池10の外部へ適宜取り出す構成としてある。レシーバ基板20に形成された配線は、信頼性の高い絶縁性を確保する必要があることから、例えば、銅箔で形成された接続パターンを有機材料などの絶縁膜(有機部材)で被覆して絶縁する構成としてある。
レシーバ基板20は上述したとおり金属のベース基台を有し、反射部材62はベース基台に当接させてある。したがって、太陽電池素子11から反射部材62までの間の熱抵抗を低減することが可能となるので、太陽電池素子11およびレシーバ基板20で発生した熱をベース基台および反射部材62を介して効率良く外部へ放熱することが可能となる。
また、反射部材62は接着部21によってレシーバ基板20にある程度の面積を接着させてある。したがって、レシーバ基板20で発生する熱を金属でできている反射部材62に効率よく熱伝導させることができる。なお、接着部21は、レシーバ基板20(ベース基台)と反射部材62との間に配置することも可能である。
反射部材62は、レシーバ基板20に当接する側とは異なる側で導光路65の外周領域に櫛の歯状のフィン62hを備える。したがって、反射部材62の放熱性を向上させ、効率よく放熱することが可能となるので、太陽電池10の発電効率を向上させ、発電電力の低下を防止することができる。
なお、反射部材62は、レシーバ基板20のベース基台と同様に金属で形成してある。したがって、反射面62r(光導入側反射面62rwおよび基板側反射面62rb)の反射性が高く、効果的に太陽光Lsを反射でき、放熱性の高い反射部材62を容易かつ高精度に形成することことが可能となるので、反射部材62を量産性良く安価に形成することができる。
反射部材62は、導光路65に対して位置ズレした太陽光Ls(太陽光Lss)を反射させるように太陽電池素子11(あるいは、有効受光面領域に対応する集光領域Af)の外周(つまり、照射窓62fの外周)に配置されることから、仮に太陽光Lssが生じた場合でも、太陽光Lssを反射することによってレシーバ基板20への太陽光Lssの過剰な照射を防止し、太陽電池素子11の効率低下の原因となる温度上昇を抑制(低減)することが可能となる。
つまり、太陽電池素子11の光電変換に寄与しない太陽光Lssのレシーバ基板20への照射を防止してレシーバ基板20の温度上昇を回避し、レシーバ基板20に配置された部材の焼損などを防止できることから、太陽電池10の耐熱性を向上させ、発電量の低下を防止することが可能となる。
また、レシーバ基板20のベース基台と反射部材62を金属で構成することで、レシーバ基板20(ベース基台)および反射部材62を容易に接着することが可能となる。
また、樹脂封止部63は、太陽電池素子11を被覆して導光路65に充填された絶縁樹脂で構成してあり、例えば透明なシリコーン樹脂を適用して光導入窓62wに集光された太陽光Lsを太陽電池素子11に照射させるように形成してある。
太陽電池素子11の直上位置での樹脂封止部63の厚さは、反射部材62の厚さ以上の厚さとしてある。したがって、太陽電池素子11への異物の付着を防止し、樹脂封止部63の表面を非焦点位置とすることが可能となるので、樹脂封止部63の表面での太陽光Lsの強度を抑制して樹脂封止部63の表面での温度上昇を抑制し、樹脂封止部63の表面に異物が付着した場合に太陽電池素子11の損傷、破壊を防止して安全性および信頼性の高い太陽電池10とすることが可能となる。
樹脂封止部63の集光レンズ42に対向する表面は、平坦面としてある。したがって、太陽光Lsを高精度に樹脂封止部63へ導光することが可能となるので、太陽電池素子11へ照射される太陽光Lsの入射精度を向上して安定化させ、発電効率を安定させることができる。
樹脂封止部63の集光レンズ42に対向する表面は、カバー部材66で被覆してある。したがって、樹脂封止部63への水分の浸入を防止することが可能となるので、太陽電池素子11を水分の浸入から保護して信頼性の高い太陽電池10とすることができる。
カバー部材66は、例えばガラス板で構成してあり、太陽電池10の耐熱性および耐湿性を確保して耐候性を向上させる。また、反射部材62の厚さは、集光レンズ42に対向する側の表面での太陽光Lsの照射強度を例えば0.35kW/m2程度以下に抑制して耐熱性を確保できる程度に設定する。
また、本実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュール40mは、太陽電池10に対して受光した太陽光Lsvを集光して照射する集光レンズ42と、集光レンズ42によって集光された太陽光Ls(太陽光Lsa、太陽光Lsb)を光電変換する太陽電池10とを備える。
したがって、高効率で耐熱性に優れた太陽電池10を備えることから、集光レンズ42によって集光した太陽光Lsを太陽電池10で無駄なく利用でき、放熱性を向上させることが可能となるので、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた集光型太陽光発電モジュール40mとすることができる。
なお、集光型太陽光発電モジュール40mに適用する太陽電池素子11としては、高効率性、実用性が特に求められることから、InGaP/GaAs/Geで構成した3接合型太陽電池素子、AlGaAs/Siで構成した太陽電池素子、モノリシック多接合型太陽電池素子を使用することが望ましい。
集光レンズ42による集光を効果的に行なうために、太陽光Lsを光電変換する太陽電池素子11の表面は平坦で、集光レンズ42の入射面、カバー部材66の入射面、出射面と平行に配置してある。
集光レンズ42は、追尾機構(不図示)の作用により太陽に正対する構成としてある。したがって、太陽光Lsvは、集光レンズ42の入射面に対して垂直方向(光軸Laxと平行な方向)に入射する。また、集光レンズ42は、受光した太陽光Lsvを屈折させて太陽光Lsaを太陽電池素子11に集光する構成としてある。
太陽光Lsvのほとんどは太陽光Lsaとして太陽電池素子11に集光されるが、集光レンズ42の溝の端部に入射した太陽光Lsのある波長領域(特に短波長領域)は太陽電池素子11に直接集光することができない。つまり、集光レンズ42の溝の端部に入射した特定波長領域の太陽光Lsは、太陽電池素子11に直接集光されないで光導入窓62wを介して光導入側反射面62rwに照射され、光導入側反射面62rwでの反射によって太陽電池素子11へ間接的に集光される。
反射部材62が存在しない従来の技術では、位置ズレした太陽光Lsbは、太陽電池素子11へ集光されないことから、損失となっていたが、本実施の形態では、光導入窓62wは、集光レンズ42によって屈折された太陽光Ls(太陽光Lsaおよび太陽光Lsb)を太陽電池素子11へ導光する集光領域Afとなることから、位置ズレした太陽光Lsbも集光対象となって太陽電池素子11へ集光される。したがって、従来の技術に比較して太陽光Lsを有効に集光することが可能となる。
光導入窓62wは、集光レンズ42の端部で屈折され太陽電池素子11へ向けて入射する短波長光を通過(導入)させる大きさとしてある。また、光導入側反射面62rwは、太陽電池素子11のチップ端部と太陽電池素子11のチップ端部に対応する集光レンズ42の端部とを結ぶ直線と同程度の傾斜を有する。
したがって、集光レンズ42によって屈折した太陽光Lsaの光は太陽電池素子11に直接入射し、また、集光レンズ42による屈折では太陽電池素子11に直接集光することができない太陽光Lsbは、光導入窓62w(集光領域Af)に集光され、さらに光導入側反射面62rwによって太陽電池素子11に向けて反射されることから、太陽電池10の発電電力および発電効率を向上させることが可能となる。
また、反射部材62(導光路65)には、集光された太陽光Lsaが直接太陽電池素子11へ照射されるように集光された太陽光Lsaに対応する領域に太陽電池素子11(有効受光面領域)と相似形に形成された照射窓62fが形成してある。したがって、集光レンズ42の位置が正常な状態では、太陽光Lsaは確実に太陽電池素子11に集光される構成としてある。
なお、集光レンズ42の位置がずれた場合にも、集光された太陽光Ls(太陽光Lsa)が太陽光Lsbの状態となるが、上述したとおり、太陽光Lsbは光導入側反射面62rwによって太陽電池素子11へ向けて反射されることから、集光レンズ42の位置ズレによる損失を抑制することが可能となる。
また、光導入側反射面62rwでの反射によって太陽電池素子11に入射した太陽光Lsbは、光導入側反射面62rwが有する傾斜に起因して太陽電池素子11に対する入射角が浅くなることから、一部は太陽光Lscのように太陽電池素子11から反射する場合が生じる。
しかし、基板側反射面62rbは、照射窓62fと照射窓62fに対応する当接窓62tとを結ぶ直線と同程度の傾斜を有する。また、当接窓62tは、太陽電池素子11(有効受光面領域)より大きい形状としてある。したがって、基板側反射面62rbは、太陽電池素子11の表面から反射した太陽光Lscを太陽電池素子11に再入射させることができ、太陽電池10の発電電力および発電効率を向上させることが可能となる。
上述したとおり、反射部材62は、導光路65を構成する樹脂封止部63を太陽電池素子11の直上に設けるだけで良く、その他の特別な部材を必要としないことから、安価に形成することが可能である。また、従来損失となっていた太陽光Lsbを反射部材62(光導入側反射面62rw)によって太陽電池素子11に入射させることができることから太陽電池素子11の効率の向上を図ることが可能となる。さらに、太陽電池素子11の表面で反射した太陽光Lscを反射部材62(基板側反射面62rb)によって再度太陽電池素子11へ入射させることができることから、太陽電池素子11の発電電力および発電効率をさらに向上させることが可能となる。
追尾機構によって集光レンズ42に対して垂直方向に入射される太陽光Lsvは、集光レンズ42によって太陽光Lsaとして集光され太陽電池素子11に照射される構成としてあるが、上述したとおり、例えば、追尾誤差の発生あるいは光学系のアライメント誤差により位置ズレを生じ集光スポットが集光領域Afの外側へずれることがある。
つまり、位置ズレした太陽光Lssを太陽電池10へ照射することがある。なお、以下では、追尾誤差、アライメント誤差、光強度のバラツキなどによる集光スポットの位置ズレを単に追尾誤差(追尾誤差など)によるものとして記載することがある。
本実施の形態では、反射部材62が集光領域Afの外側に配置してある。したがって、集光された太陽光Lsが例えば追尾誤差などにより位置ズレを生じ、太陽電池素子11の位置(有効受光面領域)からずれた位置を照射する太陽光Lssとなった場合でも、反射部材62によってレシーバ基板20への太陽光Lssの照射を防止することが可能となる。
つまり、太陽電池素子11の外周でレシーバ基板20に反射部材62を配置することによってレシーバ基板20への太陽光Lssの照射を防止することが可能となることから、レシーバ基板20の表面の温度上昇を抑制してレシーバ基板20の表面に配置された部材の焼損を防止することができる。
レシーバ基板20の表面に形成してある配線は、上述したとおり、耐熱性の低い有機部材などで構成してあることから、仮に太陽光Lssが照射されると有機部材の損傷、ひいては配線の損傷を生じ、また、太陽電池10の信頼性を低下させる恐れがある。しかし、反射部材62を設けていることから、太陽光Lssがレシーバ基板20(配線)に直接照射されることを防止し、配線の損傷などを回避することが可能となる。
したがって、反射部材62を配置することにより、例えば600SUN(1SUN=100mW/cm2)以上の高集光倍率とした場合でも、レシーバ基板20の配線(有機部材)などの焦げを防ぐことが可能となり、耐熱性を向上させた信頼性、耐候性の良い高効率で安価な太陽電池10とすることができる。
集光型太陽光発電モジュール40mに適用する集光レンズ42としては、両凸レンズ、平凸レンズ、フレネルレンズなどが挙げられる。重量・コスト・使用環境での扱い易さなどの観点から、太陽光Lsを受光する入射面が平坦で、太陽光Lsを太陽電池素子11に照射する出射面が略三角断面を有するフレネルレンズの形状としてあることが望ましい。なお、集光レンズ42は、同じ光学系を複数並べて一体に成形し、アレイ状(図4参照。)とすることも可能である。
集光レンズ42の材質としては、太陽電池素子11の感度波長光での透過率が高く、耐候性を有するものが良い。例えば、通常の集光型太陽光発電モジュール(太陽光発電システム)などに一般的に使用される薄板ガラス、耐候性グレードのアクリル、ポリカーボネートなどを適用することが可能である。なお、集光レンズ42の材料は、これらの材料に限定されるものではなく、これらの材料を複層構成としたものでも良い。また、これら材料に、集光レンズ42自体やその他の部材の紫外線劣化を防ぐ目的で、適当な紫外線吸収剤を添加することも可能である。
<実施の形態2>
図3Aないし図3Dに基づいて、本実施の形態に係る太陽電池製造方法について説明する。なお、本実施の形態に係る太陽電池製造方法で製造する太陽電池は実施の形態1に係る太陽電池10であるので、実施の形態1での符号をそのまま適用する。
図3Aの工程(太陽電池素子実装工程)とは別に、まず、金属を成形加工して反射部材62を準備する(反射部材準備工程。不図示)。なお、反射部材62の形状は実施の形態1で説明したとおりであるので適宜説明を省略する。
つまり、導光路65およびフィン62hを備える反射部材62を形成、準備する。すなわち、光導入窓62w、照射窓62f、当接窓62tで構成される導光路65を構成する反射面62r(光導入側反射面62rwおよび基板側反射面62rb)を金属ブロック(金属板)に形成する。また、併せて、フィン62hを導光路65の外周領域へ形成する。
反射面62rの傾斜は、太陽光Ls(太陽光Lsb、太陽光Lsc)を効果的に太陽電池素子11へ入射させるように設定する。反射部材62の製造方法としては、ダイキャスティング方法、または、金属板をくり抜いて作製する方法が可能である。
なお、反射面62rの反射率を向上させるために、反射面62rは例えば鏡面加工することが望ましい。また、反射面62rにさらに金属膜を成膜することも可能である。成膜方法としては、例えば真空蒸着法、スパッタ法、メッキ法などを適用することが可能である。
図3Aは、本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、レシーバ基板に太陽電池素子を載置した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。
反射部材準備工程とは別に、レシーバ基板20に太陽電池素子11を実装する(太陽電池素子実装工程)。
図3Bは、本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、レシーバ基板に反射部材を載置した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。
レシーバ基板20に太陽電池素子11を実装した後、太陽電池素子11の外周で反射部材62を配置する位置に対応させて接着部21をレシーバ基板20に形成する(接着部形成工程)。接着部21は、例えば金属枠やプラスチック枠を形成し配置することも可能であるが反射部材62を接着できる樹脂や接着剤を適宜配置することが望ましい。
接着部21は、レシーバ基板20が有するベース基台(不図示)に直接反射部材62を当接できるように、反射部材62の側面で反射部材62をレシーバ基板20に接着するように配置される。なお、熱伝導性の高い接着剤を適用した場合などには、レシーバ基板20と反射部材62との間に接着部21を介挿する形態とすることも可能である。
接着部21を形成した後、接着部21に位置合わせして反射部材62をレシーバ基板20に当接して配置する(反射部材配置工程)。このとき、光導入窓62w(照射窓62f)の中心と太陽電池素子11(有効受光面領域)の中心を一致させるように反射部材62を載置する。
図3Cは、本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、反射部材の導光路に樹脂封止部を形成した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。
導光路65に封止樹脂を充填して樹脂封止部63を形成する(樹脂封止工程)。つまり、レシーバ基板20に実装された太陽電池素子11を封止樹脂で被覆し、光導入窓62wから太陽電池素子11までの間の導光路65を封止樹脂で充填して保護する。
図3Dは、本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、樹脂封止部をカバー部材で被覆した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。
樹脂封止部63を形成した後、安定した出力特性を得るために充填した樹脂の表面を加工して平坦面を形成(平坦面形成工程)し、太陽電池素子11を湿気や水分からさらに保護するカバー部材66を載置する。
上述したとおり、本実施の形態に係る太陽電池製造方法は、集光レンズ42により集光された太陽光Lsを光電変換する太陽電池素子11と、太陽電池素子11が載置されたレシーバ基板20と、太陽電池素子11を樹脂封止する樹脂封止部63と、太陽光Lsを太陽電池素子11へ導光する導光路65と導光路65を画定して太陽光Lsを太陽電池素子11へ反射する反射面62rとを有し太陽電池素子11の外周でレシーバ基板20に当接して配置された反射部材62とを備える太陽電池10を製造する太陽電池製造方法に関する。
また、本実施の形態に係る太陽電池製造方法は、金属を成形加工して反射部材62を準備する反射部材準備工程と、反射部材62を太陽電池素子11の外周でレシーバ基板20に当接させて配置する反射部材配置工程と、導光路65に封止樹脂を充填して樹脂封止部63を形成する樹脂封止工程と、樹脂封止部63の表面を加工して平坦面を形成する平坦面形成工程とを備える。
したがって、導光路65および反射面62rを有する反射部材62をレシーバ基板20に高精度に当接、配置させて樹脂封止部63を高精度に形成することが可能となるので、集光レンズ42によって集光した太陽光Lsを無駄なく利用し、放熱性を向上させて発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた太陽電池10を生産性良く製造することができる。
<実施の形態3>
図4に基づいて、本実施の形態に係る集光型太陽光発電ユニットについて説明する。本実施の形態に係る集光型太陽光発電ユニットは、実施の形態1、実施の形態2で説明した太陽電池10を備える集光型太陽光発電モジュール40mを複数配置して構成してあるので、実施の形態1、実施の形態2での符号をそのまま適用する。
図4は、本発明の実施の形態3に係る集光型太陽光発電ユニットの構成を概略的に示す斜視図である。
本実施の形態に係る集光型太陽光発電ユニット40は、長尺状フレーム44と、長尺状フレーム44に沿って配置された複数の集光型太陽光発電モジュール40mとを備える。なお、集光型太陽光発電モジュール40mは、長尺状フレーム44とは異なる個別のフレームに配置することによりそれぞれ独立した形態とすることも可能である。
したがって、集光レンズ42によって集光した太陽光Lsを集光型太陽光発電モジュール40mで無駄なく利用でき、放熱性を向上させることが可能となるので、発電効率を向上させ、耐熱性、信頼性、耐候性を向上させた集光型太陽光発電ユニット40とすることができる。
集光型太陽光発電モジュール40mは、例えば30cm角程度の集光レンズ42を備え、集光型太陽光発電ユニット40は、例えば5×1個(5個)の集光型太陽光発電モジュール40mを備える構成とすることが可能である。このとき、集光型太陽光発電ユニット40は、例えば30cm×150cm程度の受光面を構成することとなる。
また、集光型太陽光発電モジュール40mは、必要な電力を発電するために、適宜の数で直列または並列に接続してある。本実施の形態では、例えば、集光型太陽光発電ユニット40を7個並置して集光型太陽光発電システム(集光型太陽光発電装置)を構成した形態としてある。
複数の集光型太陽光発電ユニット40で構成された集光型太陽光発電システム(集光型太陽光発電装置)は、支柱81に支持されて、追尾機構部(不図示)により水平方向の回転Roth、垂直方向の回転Rotvにより太陽を追尾する方向へ自動的に駆動され、集光型太陽光発電モジュール40mの表面に配置された集光レンズ42(入射面)を太陽光Lsvに対して垂直方向へ向ける構成としてある。
したがって、本実施の形態に係る集光型太陽光発電ユニット40は、高集光倍率の集光型太陽光発電システムに適用できる。つまり、本発明に係る集光型太陽光発電モジュール40mは信頼性・耐候性のよい高効率で安価な追尾集光型太陽光発電システムを構成することが可能となる。
また、追尾誤差などによる追尾不良が発生した場合でも、太陽電池10を焼損する恐れがなく、信頼性の高い、追尾集光型太陽光発電システムとすることが可能である。
なお、追尾機構部(追尾駆動システム)は、太陽の方位に集光レンズ42(入射面)を向けるための方位軸と、太陽の高度に集光レンズ42(入射面)を傾けるための傾倒軸との2軸別々の追尾駆動装置によって構成されていることから、太陽を高精度に追尾することが可能となる。
追尾駆動システムの動力系としては、モーターと減速機を用いてギヤを所定の回転数回転させて所定の方向に駆動させる方法、油圧ポンプと油圧シリンダーを用いて所定の長さにシリンダーを調節することにより所定の方向に駆動させるといった方法があり、どちらの方法を用いても良い。
追尾駆動システムの動作を制御する追尾駆動システムの内部に搭載された時計によって、予め太陽の軌道を計算し、太陽の向きに集光型太陽光発電モジュール40m(集光型太陽光発電ユニット40)を向かせるように制御する方法、追尾駆動システムにホトダイオードなどからなる太陽センサーを取り付けて太陽方向を随時モニターし制御する方法などが太陽光追尾方法として知られており、いずれの方法を用いても良い。
本発明の実施の形態1に係る太陽電池および集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。 図1に示した太陽電池を集光レンズの側から見た状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、レシーバ基板に太陽電池素子を載置した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。 本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、レシーバ基板に反射部材を載置した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。 本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、反射部材の導光路に樹脂封止部を形成した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。 本発明の実施の形態2に係る太陽電池製造方法を説明する工程図であり、樹脂封止部をカバー部材で被覆した状態を図2の矢符X−X方向の断面で示す。 本発明の実施の形態3に係る集光型太陽光発電ユニットの構成を概略的に示す斜視図である。 従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。
符号の説明
10 太陽電池
11 太陽電池素子
20 レシーバ基板
21 接着部
40 集光型太陽光発電ユニット
40m 集光型太陽光発電モジュール
42 集光レンズ
44 長尺状フレーム
62 反射部材
62f 照射窓
62h フィン
62r 反射面
62rb 基板側反射面
62rw 光導入側反射面
62t 当接窓
62w 光導入窓
63 樹脂封止部
65 導光路
66 カバー部材
Af 集光領域
Lax 光軸
Ls、Lsa、Lsb、Lsc、Lss、Lsv 太陽光
Roth 水平方向回転
Rotv 垂直方向回転

Claims (10)

  1. 集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、該太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、前記太陽電池素子を樹脂封止する樹脂封止部とを備える太陽電池であって、
    太陽光を前記太陽電池素子へ導光する導光路と該導光路を画定して太陽光を前記太陽電池素子へ反射する反射面とを有し前記太陽電池素子の外周で前記レシーバ基板に当接して配置された反射部材を備え、
    前記樹脂封止部は、前記導光路を樹脂封止して形成してあり、
    前記導光路は、太陽光を太陽電池素子に照射する照射窓と、該照射窓より大きく形成され太陽光を導入する光導入窓と、前記照射窓より大きく形成され前記太陽電池素子の周囲で前記レシーバ基板に当接する当接窓とを備え、
    前記反射面は、前記照射窓および前記光導入窓の間に形成され太陽光を反射して前記太陽電池素子へ導光する光導入側反射面と、前記照射窓および前記当接窓の間に形成され太陽光を前記太陽電池素子へ反射する基板側反射面とを備えること
    を特徴とする太陽電池。
  2. 請求項1に記載の太陽電池であって、
    前記レシーバ基板は金属のベース基台を有し、前記反射部材は前記ベース基台に当接させてあること
    を特徴とする太陽電池。
  3. 請求項1または請求項2に記載の太陽電池であって、
    前記反射部材は、前記レシーバ基板に当接する側とは異なる側で前記導光路の外周領域に櫛の歯状のフィンを備えること
    を特徴とする太陽電池。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか一つに記載の太陽電池であって、
    前記太陽電池素子の直上位置での前記樹脂封止部の厚さは、前記反射部材の厚さ以上の厚さとしてあること
    を特徴とする太陽電池。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載の太陽電池であって、
    前記樹脂封止部の表面は、平坦面としてあること
    を特徴とする太陽電池。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれか一つに記載の太陽電池であって、
    前記樹脂封止部の表面は、カバー部材で被覆してあること
    を特徴とする太陽電池。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれか一つに記載の太陽電池であって、
    前記反射部材は、金属で形成してあること
    を特徴とする太陽電池。
  8. 太陽光を集光する集光レンズと、該集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池とを備える集光型太陽光発電モジュールであって、
    前記太陽電池は、請求項1ないし請求項7のいずれか一つに記載の太陽電池であること
    を特徴とする集光型太陽光発電モジュール
  9. 長尺状フレームと、該長尺状フレームに沿って配置された複数の集光型太陽光発電モジュールとを備える集光型太陽光発電ユニットであって、
    前記集光型太陽光発電モジュールは、請求項8に記載の集光型太陽光発電モジュールであること
    を特徴とする集光型太陽光発電ユニット
  10. 集光レンズにより集光された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、該太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、前記太陽電池素子を樹脂封止する樹脂封止部と、太陽光を前記太陽電池素子へ導光する導光路と該導光路を画定して太陽光を前記太陽電池素子へ反射する反射面とを有し前記太陽電池素子の外周で前記レシーバ基板に当接して配置された反射部材とを備え、
    前記樹脂封止部は、前記導光路を樹脂封止して形成してあり、前記導光路は、太陽光を太陽電池素子に照射する照射窓と、該照射窓より大きく形成され太陽光を導入する光導入窓と、前記照射窓より大きく形成され前記太陽電池素子の周囲で前記レシーバ基板に当接する当接窓とを備え、
    前記反射面は、前記照射窓および前記光導入窓の間に形成され太陽光を反射して前記太陽電池素子へ導光する光導入側反射面と、前記照射窓および前記当接窓の間に形成され太陽光を前記太陽電池素子へ反射する基板側反射面とを備える太陽電池を製造する太陽電池製造方法であって、
    金属を成形加工して前記反射部材を準備する反射部材準備工程と、
    前記反射部材を前記太陽電池素子の外周で前記レシーバ基板に当接させて配置する反射部材配置工程と、
    前記導光路に封止樹脂を充填して前記樹脂封止部を形成する樹脂封止工程と、
    前記樹脂封止部の表面を加工して平坦面を形成する平坦面形成工程とを備えること
    を特徴とする太陽電池製造方法
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