JP4898145B2 - 集光型太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、集光型太陽電池モジュールの技術に係り、より具体的には放熱性に優れた集光型太陽電池モジュール構造に関する。

近年、エネルギー資源枯渇の問題や大気中のＣＯ₂増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギーの開発が望まれており、特に太陽電池を用いた太陽光発電が新しいエネルギー源として開発、実用化されている。太陽光発電システムは、更なる普及のため低コスト化が望まれている。集光型太陽光発電システムは、太陽光発電システムにおいて最も高価な構成物である太陽電池セルの使用量を減らし、システム全体のコストを低減するシステムとして有望である。

集光型太陽電池モジュールの従来例について図を用いて説明する。図８は、従来の集光型太陽電池モジュールの概略図であり、図９は従来の集光型太陽電池モジュールの概略断面図である。直方体形状のケース１１の太陽光入射側にフレネルレンズ１２がアレイ状に複数個設置されている。個々のフレネルレンズ１２には、それぞれに対応する太陽電池セル２３が設置されている。フレネルレンズ１２により集光された光を太陽電池セル２３に入射させるためには、太陽光１３がフレネルレンズ１２に垂直に入射するように設定する必要がある。

太陽光１３がフレネルレンズ１２に垂直に入射するように設定するためには、ケース１１全体が常に太陽方向を向くように追尾する必要がある。一般的には、ケース１１とシステム設置面の間に２つの回転軸を設け、モータあるいは油圧駆動によりその２軸を回転駆動させ太陽追尾を行う。太陽方位、太陽高度は、太陽軌道の式と設置場所の緯度、経度、時刻により計算され、前記駆動系を制御することにより太陽追尾が行われる。
フレネルレンズ１２に入射した太陽光１３は、フレネルレンズ１２により集光され、フレネルレンズ１２と対向するケース１１の一面で太陽電池セル２３を支持する支持板部１１ａに設置された太陽電池セル２３に照射される。集光倍率は数十倍〜数百倍であり、太陽電池セル上には大きなエネルギー密度の太陽光が照射されるため、温度上昇が避けられない。太陽電池セルは温度上昇に伴って、発電効率が低下するため、放熱機構が必要となる。
一般には、支持板部１１ａの材質に金属等の熱伝導率の大きな材質を用いて太陽電池セル２３の裏面を通じて支持板部１１ａにより放熱する構造や、さらに放熱効率を上げるため、支持板部１１ａの裏側の表面積が大きくなる様に放熱用フィンを設けた構造が採られる。

特許文献１には、集光型太陽光発電システムにおける太陽電池セル固定に関して、金属箔を太陽電池セルの裏面電極全面に半田付けし、この金属箔により電極を取り出し、前記金属箔を熱伝導性添加剤を含有するエポキシ樹脂接着剤からなる放熱層により座板に接着することによって、太陽電池セルの電極取り出し、固定および放熱を実現する構造が開示されている。また、効率的な放熱のためには、金属箔の幅が太陽電池セルの幅より大きい方が好ましいといった記述がある。
また、特許文献２には、集光型太陽電池システムの１次光学系、太陽電池セル固定および電極取り出し部分の構造に関する記述がある。太陽電池セルの裏面電極はヒートシンクに半田付けされヒートシンクから電極を外部に取り出し、ヒートシンクは電気絶縁層を介して支持板に固定される構造が開示されている。
特開２００３−１７４１７９号公報 米国特許６３９９８７４号明細書

しかしながら、特許文献１の太陽電池セルの固定方法においては以下に述べる問題がある。太陽電池セルで発生した熱が、大気への放熱機構を有する座板まで伝導する際、金属箔、熱伝導性添加剤を含有するエポキシ樹脂からなる放熱層を伝導する必要がある。金属箔の面積を太陽電池セルの面積より大きくした場合でも、金属箔は０．１ｍｍ厚と非常に薄いため、金属箔の面方向の熱抵抗が大きく、太陽電池セルから外側方向へ熱拡散が十分に行われない。外側への熱拡散が十分に行われない場合、エポキシ樹脂からなる放熱層のうち熱が伝導する面積が太陽電池セル付近の小さな領域に留まるため、前記放熱層の熱抵抗が大きくなる。放熱層の熱伝導率は金属と比べると２桁程度低いため、この問題が放熱特性の悪化に繋がる。すなわち、特許文献１の構造の場合、太陽電池セルで発生した熱の伝導が、放熱層部分で律速され太陽電池セルに滞留することにより放熱が十分に行われず、太陽電池セルの温度が上昇してしまうといった問題がある。
特許文献２においては、ヒートシンクの材質、厚み、サイズの記述はなく、ヒートシンクの厚みが薄い場合には上記特許文献１と同様の問題が考えられ、ヒートシンクの外形サイズが小さいと前記放熱特性が悪化する問題が生じる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、太陽電池セルの放熱特性が最も効率よく得られる構造を見出すことにより、放熱特性の維持とモジュール重量の低減を最小限に抑えた集光型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、 集光型太陽電池モジュールケースと、前記集光型太陽電池モジュールケースの上面に配置される２００〜５００倍の集光レンズと、前記集光レンズに対向する面である集光型太陽電池モジュールケースの支持板上に配置される、表面と裏面にそれぞれ電極を有する太陽電池セルと、前記太陽電池セルと支持板の間に配置され、太陽電池セルの裏面電極と半田によって電気的に接合される電極板と、前記電極板と前記支持板の間に介在する放熱電気絶縁層と、前記電極板に接続される裏面電極取り出し線と、前記電極板上に電気絶縁層を介して配置される導電体の一端に接続される太陽電池表面電極と、導電体の他端に接続される表面電極取り出し線とを備えた太陽電池モジュールであって、前記電極板の外形サイズは、太陽電池セルの外形サイズの３〜１０倍であり、かつ前記電極板の厚みｔ（ｍｍ）、前記電極板の熱伝導率λ（Ｗ／Ｋ／ｍ）とした場合、厚みｔを調整してλ×ｔは、１６０以上、２０００以下とすることにより、太陽電池セルの温度上昇を抑制し、かつ重量増加を抑えたことを特徴とする集光型太陽電池モジュールである。
このように、本発明の太陽電池セルは、２００〜５００倍に集光された太陽光が照射される太陽電池セルを備えた太陽電池モジュールであり、太陽電池セルは変換効率の温度特性を有し、その太陽電池セルの変換効率の温度特性を低減し、かつ重量増加を抑えるものである。そのため、太陽電池セルの裏面電極に半田によって電気的に接合した電極板を備え、上記電極板は、太陽電池セルとの外形サイズが３〜１０であり、かつ電極板の厚みｔ（ｍｍ）を調整して、電極板の厚みｔ（ｍｍ）と前記電極板の熱伝導率λ（Ｗ／Ｋ／ｍ）の積（λ×ｔ）を１６０以上、２０００以下とした。従って、太陽電池セルにおいて発生した熱が、半田を介して電極板に伝導し、ある程度厚みのある電極板によって太陽電池セルの外側方向に拡散し、その後、熱伝導性の低い放熱電気絶縁層を伝導するため、放熱電気絶縁層の伝導断面積が大きくなり、熱抵抗を低減することができる。その結果、太陽電池セルからの放熱特性がよくなり、太陽電池セルの温度をより低く抑えることができる。λ×ｔが１６０より小さくなれば、電極板における太陽電池セル外側方向への熱拡散が不十分になり、放熱特性が悪化する。また、λ×ｔは大きいほど太陽電池セル温度を低く抑えることができるが、２０００より大きくなれば太陽電池セルの温度低減効果が飽和する一方、ｔの増加はモジュール全体の重量増加となるため、この値より小さいことが望ましい。

また、本発明においては、前記電極板のλ×ｔは、４００以上、１２００以下であることが望ましい。
この構造によれば、上記放熱特性が良好であり、かつ、電極板の厚みが必要以上に厚くないためモジュールの重量増加を抑えることができ、さらに好ましい。

また、本発明においては、前記電極板の外形サイズは前記太陽電池セルの外形サイズの３倍以上、１０倍以下であることが望ましい。
この構造によれば、電極板の外形サイズが太陽電池セル外形サイズの３倍より小さい場合、放熱効率が悪く太陽電池セル部分の温度が高くなる。また、電極板の外形サイズが太陽電池セル外形サイズの１０倍より大きい場合、外形サイズの増加に対する太陽電池セルの温度低下が小さくなり、電極板外形サイズを大きくしても放熱効率の向上が少なく、モジュール全体の重量増加となるため、この値より小さいことが望ましい。

また、本発明においては、前記電極板の外形サイズは前記太陽電池セルの外形サイズの６倍以上、９倍以下であることがさらに望ましい。
この構造によれば、放熱特性の維持と、余計なモジュール重量の増加を抑えることができる。

また、本発明においては、前記電極板は金属を主材料とすることが望ましい。
この構成によれば、前記電極板の主材料を金属とすることにより、電極板の熱伝導率が高く良好な放熱特性を維持できるといった利点がある。

また、本発明においては、前記電極板は銅を主材料とすることが望ましい。
この構成によれば、前記電極板の材質を銅とすることにより、銅と半田の接着性が良好であるため、太陽電池セルと電極板の半田による接合が容易であり、かつ、商業上安価に入手することができるといった利点がある。

また、本発明においては、銅を主材料とする前記電極板の厚みが１ｍｍから３ｍｍであることが望ましい。
この構造によれば、上記放熱特性が良好であり、かつ、電極板の厚みが必要以上に厚くないため重量増加を抑えることができる。

また、本発明では、前記電極板の上面の少なくとも一部に電気絶縁層を形成するとともに、前記電気絶縁層上に前記太陽電池セルの表面電極側引き出し配線を配置する構造とした。
この構造によれば、太陽電池セルの裏面電極と電気的に導通する電極板上に電気絶縁層をパターニングし、その電気絶縁層上に太陽電池セルの表面電極と電気的に導通する配線をパターニングすることが可能となり、電極板上に配線パターンを形成することが可能となる。この配線パターンは、例えばバイパスダイオードの取り付け、他の太陽電池セルとの接続に使用することができる。電極板上面は、集光型太陽電池モジュールのケース内にあり、空気の対流が少なく放熱の効果がほとんど無いため、電極板上面に電気絶縁層を形成しても、放熱特性にほとんど影響を与えない。

また、本発明においては、前記電気絶縁層はアクリル系樹脂を主成分とするレジストとすることが望ましい。
この構成によれば、前記電極板上に印刷、スプレー等により塗布することができ、前記電気絶縁性を有する層のパターニングを容易に行うことができる。

本発明の構造によれば、太陽電池セルで発生した熱を効率良く放熱することができ、かつ、重量増加を抑えた集光型太陽電池モジュールを提供することができる。太陽電池セルで発生した熱は、太陽電池セル裏面から半田を介して電極板に伝導し、電極板を通じて太陽電池セルの外側方向に拡散し、その後、放熱電気絶縁層を伝導するため、熱伝導率が最も低い放熱電気絶縁層の熱抵抗を低減することができ、全体としての放熱特性を改善することが可能となる。この過程において、電極板により太陽電池セルの外側方向に熱を拡散することが最も重要であり、本発明においては電極板のサイズ・材質を最適化することにより、放熱特性の維持とモジュールの軽量化の両立が可能となる。
放熱特性が改善すると太陽電池セルの温度を低く抑えることができ、温度上昇に伴う太陽電池セル出力の低下を抑制できる。また、放熱特性を維持しつつ、電極板の厚み、外形サイズを最低限の大きさとすることにより、モジュール全体の重量増加を抑えることができる。モジュールの重量が軽量化できると、太陽追尾の駆動系に掛かる負荷が小さくなり、駆動系の簡略化、低コスト化に寄与する。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は本発明の実施の形態に係る集光型太陽電池モジュールの概略断面図である。直方体形状をしたケース１１の一端面は開口しており、前記開口部にフレネルレンズ１２が固定される。フレネルレンズ１２は複数枚がそれぞれ固定される場合でも良く、一面の中に多数のフレネルレンズパターンが形成されているものでも良い。複数のフレネルレンズパターンが一枚に形成されている場合、レンズごとのずれが生じ難いため、フレネルレンズ１２と太陽電池セル２３のアライメントずれを抑えることができる。
ケース１１の材質としては軽量で熱伝導性の良いアルミニウムが適しているが、ステンレス板、鋼板、あるいは鋼板に亜鉛、アルミニウム、シリコン等の合金をめっきしたものを用いても良い。また、フレネルレンズ１２の材質としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ＵＶ硬化樹脂、ガラス等の透光性材料が挙げられる。
図１において、ケース１１のフレネルレンズ１２と対向する支持板部１１ａには太陽電池セル２３が固定されている。フレネルレンズ１２により集光された太陽光が太陽電池２３に照射される。太陽光の集光倍率は最大で７００倍程度である。図２には、太陽電池セル２３の固定部分の拡大斜視図を示した。太陽電池セル２３は半田により電極板４２に固定され、電極板４２は放熱電気絶縁層４１を介して支持板部１１ａと電気絶縁性ねじ２７により固定される。

太陽電池セル２３としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅ等からなる無機太陽電池セルを用いることが可能であり、また、太陽電池セルの構造は、単一接合型セルや、モノリシック多接合型セルや、感度領域の異なる種々太陽電池セルを繋げたメカニカルスタックセル等を用いることができる。集光型太陽光発電システムにおいては、コストダウンのため太陽電池セルの使用量を抑える目的があり、太陽電池セル２３のサイズは小さく、薄いほど望ましい。太陽電池セル２３の厚みは１００μｍから２００μｍ程度、太陽電池２３の外形サイズは数ｍｍから２０ｍｍ程度のものが用いられる。太陽電池セル２３の外形サイズはフレネルレンズ１２の有効集光面積と所望の集光倍率から決定される。

図３には、図２の２ａ―２ｂにおける切断面である太陽電池セル２３固定部の拡大断面図を示す。太陽電池セル２３を固定する支持板部１１ａの上面に、電気絶縁性を有する熱伝導性材料からなる放熱電気絶縁層４１を設け、その上部の電極板４２の下面と接する構造とする。
放熱電気絶縁層４１は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を主材料とすることが望ましく、添加剤として金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、鉄、ステンレス等の金属や、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛等の金属酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、カーボン等を１つ以上添加したものが使用される。電極板４２の材質は熱伝導率の大きな金属あるいは合金を主材料としたものが望ましい。例えば、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、錫、ステンレス等の金属単体や、それらの合金とすることができる。特に銅は、商業上安価に入手し易く熱伝導率が大きく、半田と接合性が良好であるため電極板４２の材料として適している。

電極板４２の上面の太陽電池セル２３を接合する部分以外の箇所の少なくとも一部には電気絶縁層２４を設ける。電気絶縁層２４の上面には金属箔２１ａを設け、この金属箔２１ａと太陽電池セル２３の表面電極２２を金属ワイヤーボンディングにより電気的に接合する。金属箔２１ａから外部への配線の取り出しは外部取り出し線２５と金属箔２１ａを半田付けすることにより行い、電極板４２から外部への配線の取り出しは外部取り出し線２６を電極板４２の表面に半田付けすることにより行う。

電気絶縁層２４は太陽電池の金属箔２１ａと電極板４２間の電気絶縁を保つために設けられ、金属箔２１ａと合わせてパターニングすることにより、電極板４２上において配線パターニングが可能となる。例えば、電気絶縁層２４の開口部と金属箔２１ａを近接した位置に設けることにより、その部分に太陽電池セル２３のバイパスダイオードを取り付けることが可能である。電気絶縁層２４のパターニングは、アクリル、ナイロン、ＰＥＴ、ポリイミド等を材料とするフィルムを接着する方法やこれらの材料を主成分とするレジストを印刷、スプレー等の方法により塗布することにより行うことができる。金属箔２１ａの材料としては、金、銀、銅、錫等を用いることができる。
電極板４２の上面中央部の電気絶縁層２４が設けられていない部分に半田４３により太陽電池セル２３の裏面電極全面を接合する。電極板４２は放熱電気絶縁層４１を介して支持板部１１ａに電気絶縁性ねじにより固定される。

本構造とすることにより、フレネルレンズ１２により集光された太陽光１３が太陽電池セル２３に照射され、大きなエネルギーが太陽電池セル２３に照射されるが、太陽電池セル２３で発生する熱を太陽電池セル２３下面から半田を通じて電極板４２に伝達し、電極板４２において太陽電池セル２３外側方向に効率的に拡散でき、その後、電極板４２から熱伝導性かつ電気絶縁性を有する放熱電気絶縁層４１、支持板部１１ａを通して効率良く放熱することができる。電極板４２により一旦熱を太陽電池セル２３外側方向に拡散することにより、熱伝導率の小さな前記放熱電気絶縁層４１の熱伝導時の断面積を大きくし熱抵抗を低減できるため、放熱効率が向上する。

太陽電池セル２３表面は透光性のガラスあるいは樹脂等で被覆し、耐候性を向上させる。封止用の材料２９としては、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリ３フッ化エチレン、ポリフッ化ビニルなどのフッ素樹脂フィルム、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）樹脂、ブチラール樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フッ化ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ＰＥＴなどの透明な樹脂やガラスが使用できる。

各構成物の材料・サイズは、放熱シミュレーションにより決定される。
（放熱シミュレーション）
以下に放熱シミュレーションについて詳述する。
Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｉｎｖｅｎｔｏｒ（Ｒ）７で３Ｄモデルを作成し、シュミレーションソフトＣＯＳＭＯＳ Ｄｅｓｉｇｎ ＳＴＡＲ ４．０を用いて熱伝導解析（定常解析、反復回数はＷＮＲ(修正ニュートン−ラプソン法)、初期温度は摂氏２５℃）を行った。
支持板部１１ａは１６０ｍｍ×２００ｍｍ×２ｍｍ^tのアルミニウム６０６１Ａｌｌｏｙ板（熱伝導率１７０Ｗ／Ｋ／ｍ）、放熱電気絶縁層４１はシリコーン樹脂に金属添加剤を含有したもの（熱伝導率０．６５Ｗ／Ｋ／ｍ）、電極板４２は外形サイズ６０ｍｍ角の銅板（熱伝導率３９０Ｗ／Ｋ／ｍ）とし、その上面に７ｍｍ×７ｍｍサイズで厚み０．１ｍｍの半田４３（熱伝導率３１．１Ｗ／Ｋ／ｍ）、その上面に外形７ｍｍ角、１６０μｍ厚の太陽電池セル２３（熱伝導率５９．９Ｗ／Ｋ／ｍ：ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型化合物太陽電池）を接合した構成を基本とし、入力熱源として太陽電池セル２３に体積発熱量１７．１５Ｗ（１０００Ｗ／ｍ²）（直達日射強度）×０．００００４９（ｍ²）（集光スポット面積）×５００（ｓｕｎ）（５００倍集光）×０．７（１−太陽電池発電消費量））を与え、支持板部１１ａ裏面のみ対流２５℃と設定した。太陽電池セル２３表面、電極板４２表面の空間は、空気の対流が小さいため、本シミュレーションにおいては表面側からの放熱は考慮していない。上記条件を初期状態とし、電極板４２の厚みを変化させた。以下の結果はそれぞれの太陽電池セル２３の最高温度の比較である。

まず、従来例の電極板が薄い箔状（厚み０．１ｍｍ）の場合と板状（厚み１ｍｍ）の場合を比較した。電極板の厚み以外の条件は同一とした。シュミレーションの結果、セルの最高温度は、箔状（厚み０．１ｍｍ）：９８．２３℃、板状（厚み１．０ｍｍ）：６４．０４℃と３４度程度の差があった。図４にＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型化合物太陽電池の変換効率の温度特性を示す。２００倍集光の場合、太陽電池セルの温度差が前記３４度程度であるとき、変換効率の差は絶対値で２％程度と大きく、５００倍集光下においてもこの傾向は変わらない。

次に、上記初期状態の電極板厚を１ｍｍとした場合において、電極板４２の厚み以外でも放熱性に有効と考えられるパラメータ（放熱電気絶縁層４１の材質、支持板１１ａの厚み）について、どのパラメータが太陽電池セル２３の放熱に影響が大きいかを確認した。結果を図５に示す。放熱電気絶縁層４１の熱伝導率を０．６５Ｗ／Ｋ／ｍから３あるいは５Ｗ／Ｋ／ｍに変更した場合、支持板部１１ａの厚みを２ｍｍから３あるいは４ｍｍに変更した場合に比べて、電極板４２の厚みを１ｍｍから２あるいは３ｍｍに変更した場合の太陽電池セル最高温度の変化が大きいことが分かる。すなわち、放熱特性を向上させるためには、電極板４２の厚みを厚くすることが、より効果的であると言える。

図６は前記初期状態において、電極板４２のサイズを１０ｍｍ×１０ｍｍ、４０ｍｍ×４０ｍｍ・・・６０ｍｍ×６０ｍｍ（放熱電気絶縁層４１もそれぞれ電極板４２のサイズと同じ）、または厚みを０．１ｍｍから５ｍｍと変化させた場合の太陽電池セル最高温度のシュミレーション結果である。電極板の厚みが０．１ｍｍから０．４ｍｍになるときに急激に太陽電池セル温度が低下しており、それ以上大きくなると温度低下が徐々に小さくなることが分かる。放熱性と電極板４２の低重量化の観点から設計する場合、厚みを０．４ｍｍから５．０ｍｍの範囲とすることが望ましく、１ｍｍから３ｍｍとすることが更に好ましい。図６は、電極板４２の材料を銅とした場合であるが、電極板４２の熱伝導率と電極板４２の厚みの積が等しい場合は同様の結果が得られる。例えば、電極板４２の熱伝導率が１７０（Ｗ／Ｋ／ｍ）であるアルミニウムを用いた場合、上記電極板４２の厚みが２．３倍のときに略同一のシミュレーション結果となる。すなわち、前記電極板４２の厚みをｔ（ｍｍ）、前記電極板４２の熱伝導率をλ（Ｗ／Ｋ／ｍ）とした場合、λ×ｔは、１６０以上、２０００以下であることが望ましく、４００以上、１２００以下とすることが更に好ましい。

図７は、前記初期状態において、電極板４２の厚みを１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍとした場合に、電極板４２と太陽電池セル２３の外形サイズの比を横軸に取り、太陽電池セル最高温度を縦軸にプロットした図である。電極板サイズ／太陽電池サイズの値が３以下においては太陽電池セル最高温度が高く、１０より大きくなると温度低下が小さくなる。放熱性向上の観点と電極板の低重量化の観点から設計する場合、６から９の範囲とすることがさらに望ましい。

実施例１について図を基に説明する。集光システムの概要は図８と同様であり、モジュールの構成は、図１から図３と同様である。直方体形状をしたアルミニウム製のケース１１の一端面は開口しており、前記開口部にフレネルレンズ１２がエポキシ樹脂製接着剤により固着される。フレネルレンズ１２は、アクリル樹脂により形成された個々のレンズパターンが透光性を有する接着剤によりガラス板に接着され、７×５のアレイ状にフレネルレンズパターンが形成されたものを用いた。フレネルレンズ１２の外形は２００ｍｍ×２００ｍｍで厚さは２ｍｍ、焦点距離を２００ｍｍとした。ケース１１の外形は、１４４０ｍｍ×１０４０ｍｍ×２０２ｍｍであり、厚さを３ｍｍとした。一対のフレネルレンズ１２と太陽電池セル２３は、ケース１１内に３５対設けられている。ケース１１のフレネルレンズ１２と対向する支持板部１１ａには電極板４２に固定された太陽電池セル２３が固定される。フレネルレンズ１２により集光された太陽光１３が太陽電池セル２３に照射される。太陽電池セル２３は、７ｍｍ角サイズのＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型化合物太陽電池を使用した。

この構成により、太陽電池セル全面に集光した光が当たるように設定すると、集光倍率は３００倍程度となる。支持板部１１ａの厚さは３ｍｍとした。支持板部１１ａの上面に、シリコーン樹脂接着剤を主成分とし、添加剤としてアルミニウムを含有する放熱電気絶縁層４１を設け、その上部の電極板４２の下面と接着した。放熱電気絶縁層４１の熱伝導率は０．６５Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さは０．１ｍｍとなるようにした。電極板４２は厚み２ｍｍ、外形サイズ６０ｍｍ×６０ｍｍの銅板とした。
太陽電池セル２３の形状は、加工容易性、材料の有効利用性から矩形形状が一般的であるが、円形、楕円形、多角形等の形状でも良い。また、太陽電池セル２３のサイズはフレネルレンズのサイズと所望の集光倍率から決定されるものであり、どのような大きさでも良い。

図２、図３を基に、太陽電池セル２３の表面電極２２の外部への取り出しについて説明する。電極板４２上に電気絶縁層２４として、アクリル樹脂を主成分とするレジスト（２５μｍ厚）をスクリーン印刷法によりパターニング形成する。その電気絶縁層２４上に銀箔（２００μｍ厚）をエポキシ樹脂系接着剤により接着する。太陽電池セル２３の表面電極２２と前記銀箔２１ａをアルミワイヤーボンディングにより接続する。前記銀箔２１ａと外部取り出し線２５との接続は半田付けにより行った。太陽電池セル２３の裏面電極からの取り出しは電極板４２の上面の電気絶縁層２４が形成されていない部分に外部取り出し線２６を半田付けすることにより行った。このようにして電極を取り出した後、封止用の材料２９として透光性のシリコン系樹脂により電極板４２上の太陽電池セル２３を封止した。
電極板４２、放熱電気絶縁層４１と支持板部１１ａは、電気絶縁性ねじ２７により固定した。

本構造により、太陽電池セル２３で発生した熱が裏面電極、半田を通じて電極板４２に伝導し、電極板４２により電極板４２の面方向すなわち太陽電池セル２３外側方向に拡散し、その後、放熱電気絶縁層４１、支持板部１１ａを通じて外気に放熱することにより、良好な放熱特性が実現できる。
上記構造において実際に８５０Ｗ／ｍ²の太陽光１３を集光し前記太陽電池セル２３に照射した場合、太陽電池セル２３の温度は６０℃程度に抑えることができた。
また、太陽電池セル２３の裏面電極一面を半田付けにより銅板に固定した場合、その熱膨張係数の差によりセルに応力が掛かり、セル割れあるいはセル特性低下といった問題が懸念されるが、本実施例の構造において、液体窒素温度（−約１９５℃）から１２０℃までの熱サイクル試験を行った結果、３０サイクルにおいても、セル割れ、特性低下等の問題は生じなかった。

集光型太陽光発電システムにおいては、太陽電池材料の使用量を抑える、すなわち太陽電池セル２３のサイズが小さい程良く、太陽電池外形サイズを小さくし集光倍率を上げる方向で検討が進んでいる。このため、太陽電池セル２３と前記金属板の熱膨張係数の違いによる応力の発生による太陽電池セル２３び特性低下や割れかけの問題は大きな問題とはならない。一方、集光倍率は高められるため、放熱特性の向上が最も重要な課題となっており、本発明の構造はこの課題の解決に適している。

本発明の集光型太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の太陽電池固定部分の斜視図である。 本発明の太陽電池固定部分の拡大断面図である。 本発明の実施例で使用した化合物太陽電池の温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態に係る放熱シュミレーションの結果（太陽電池セル温度のパラメータ依存性）である。 本発明の実施の形態に係る放熱シュミレーションの結果（電極板厚と太陽電池セル最高温度の関係）である。 本発明の実施の形態に係る放熱シュミレーションの結果（電極板外形サイズ／太陽電池セルサイズと太陽電池セル最高温度の関係）である。 従来の集光型太陽光発電システムを示す概略図である。 従来の集光型太陽電池モジュールを示す概略断面図である。

符号の説明

１１ ケース
１２ フレネルレンズ
１３ 太陽光
１１ａ 支持板部
２１ａ 金属箔
２１ｂ ワイヤーボンディング
２２ 太陽電池セルの表面電極
２３ 太陽電池セル
２４ 電気絶縁層
２５ 表面電極取り出し線
２６ 裏面電極取り出し線
２７ 電気絶縁性ねじ
２９ 封止用の材料
４１ 放熱電気絶縁層
４２ 電極板
４３ 半田

Claims (7)

1. 集光型太陽電池モジュールケースと、
   前記集光型太陽電池モジュールケースの上面に配置される２００〜５００倍の集光レンズと、
   前記集光レンズに対向する面である集光型太陽電池モジュールケースの支持板上に配置される、表面と裏面にそれぞれ電極を有する太陽電池セルと、
   前記太陽電池セルと支持板の間に配置され、太陽電池セルの裏面電極と半田によって電気的に接合される電極板と、
   前記電極板と前記支持板の間に介在する放熱電気絶縁層と、
   前記電極板に接続される裏面電極取り出し線と、
   前記電極板上に電気絶縁層を介して配置される導電体の一端に接続される太陽電池表面電極と、導電体の他端に接続される表面電極取り出し線と
   を備えた太陽電池モジュールであって、
   前記電極板の外形サイズは、太陽電池セルの外形サイズの３〜１０倍であり、かつ前記電極板の厚みｔ（ｍｍ）、前記電極板の熱伝導率λ（Ｗ／Ｋ／ｍ）とした場合、厚みｔを調整してλ×ｔは、１６０以上、２０００以下とすることにより、太陽電池セルの温度上昇を抑制し、かつ重量増加を抑えたことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
2. 前記電極板のλ×ｔは、４００以上、１２００以下であることを特徴とする請求項１に記載の集光型太陽電池モジュール。
3. 前記電極板の外形サイズは前記太陽電池セルの外形サイズの６倍以上、９倍以下である特徴とする請求項１または２に記載の集光型太陽電池モジュール。
4. 前記電極板は金属を主材料とすることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の集光型太陽電池モジュール。
5. 前記電極板は銅を主材料とすることを特徴とする請求項４に記載の集光型太陽電池モジュール。
6. 前記電極板の厚みが１ｍｍから３ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の集光型太陽電池モジュール。
7. 前記電気絶縁層はアクリル系樹脂を主成分とするレジストであることを特徴とする請求項６に記載の集光型太陽電池モジュール。

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