JP4934385B2 - 線状集光レンズ、これを用いた太陽電池素子及び太陽電池モジュール、線状集光レンズの製造方法、太陽電池素子の製造方法及び太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、線状集光レンズ、これを用いた太陽電池素子及び太陽電池モジュールに関するものである。

集光型太陽電池モジュールとして、従来から、例えば、ｐｎ接合による光電変換を行う多結晶Ｓｉ太陽電池セル、ｐｉｎ接合による光電変換を行う非晶質Ｓｉ太陽電池セル、さらには単結晶Ｓｉ基板上にｐｎ接合を形成した単結晶Ｓｉ太陽電池セル等の平板状太陽電池セル上に、樹脂により成形加工したレンズ等を配置せしめたものがある。
この種の典型的な太陽電池モジュールとして、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に開示されている太陽電池モジュールは、平面状に並行に隣接配置された樹脂製で長尺の集光レンズ群、すなわち樹脂を成形加工して得た集光素子群と、この集光素子群の根元部全体に亘って接触配置された光電変換層を有する平板状の太陽電池セルとを有している。
因みに、集光レンズの根元部とは、集光レンズにあって、太陽光等の外部光の照射を受ける側、すなわち光入射側の集光曲面と対向する面に形成された平面を指すものとする。
ところで、太陽電池セルは、通常、支持体を兼ねた基板上に、例えば、ｐ型不純物ドープ非晶質半導体層とｎ型不純物ドープ非晶質半導体層とで、真性非晶質半導体層であるｉ層を挟んだｐｉｎ構造等で構成された光電変換層を有している。

特開２００４−１８６３３４号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されている太陽電池モジュールの場合、平面状に並行に多数隣接配向位置された樹脂製の集光レンズの根元部側には、複数の集光レンズの根元部全体に亘って、１枚の平面状の太陽電池セルが配置されている。そのため、集光レンズの集光部以外の部分にも太陽電池セルが存在することになる。
この集光部以外の太陽電池セルは、実質的には発電にあまり寄与しない。そのため起電力の強度差が発生し太陽電池の発電効率を低下せしめ、加えて太陽電池全体の重量を大きくする原因にもなっている。言うまでもなく、この種の太陽電池モジュールは家の屋根の上等に設置されることから、より軽量であることが求められている。

加えて、前記集光レンズは、樹脂を成形加工したものであることから、例えば、１本の集光レンズの幅を１０ｍｍ以下にすることが難しく、この点から太陽電池モジュール全体の小型化も困難であった。

このように、従来の太陽電池モジュールにおいては、レンズの集光部以外にも太陽電池セルを設置しているため、太陽電池モジュールの発電効率が悪く、加えて太陽電池モジュール全体の軽量化も図り難く、しかも集光レンズを樹脂で形成しているため、レンズの小型化が難しく、太陽電池モジュール全体の小型化が図り難い、という問題があった。

前記問題に鑑み本発明の目的は、集光レンズを用いた太陽電池モジュールの発電効率を向上させ、しかも少なくとも太陽電池モジュール全体の軽量化が可能な集光レンズ、これを用いた太陽電池素子及び太陽電池モジュールを提供することにある。

前記目的を達成すべく第１の発明は、長手方向に延びる軸に対する垂直断面の形状において、その根元部が平面状の略扇型形状をなすガラス製の線状集光レンズであって、さらに、前記垂直断面内における根元部の平面状部分の幅をＷ_０、この垂直断面の高さをＨとしたとき、Ｈ＝２ｍｍ〜０．３ｍｍ、Ｗ_０＝２ｍｍ〜０．３ｍｍで、Ｗ_０／Ｈが１以上、２．５以下で、かつ線状集光レンズの幅が０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、前記線状集光レンズはその側面に、この線状集光レンズ同士を隣接配置したとき互いに面接触可能な基板に垂直な接触面を有していることを特徴とする線状集光レンズである。
第２の発明は、第１の発明にかかる線状集光レンズと、該線状集光レンズの平面状の根元部に接触配置され、かつ前記線状集光レンズにより前記根元部に形成される集光部の幅と略同じ０．２ｍｍ〜５ｍｍの幅を有する太陽電池セルとが一体化されていることを特徴とする太陽電池素子である。
また、前記太陽電池セルの周囲に反射層が設けられてもよい。
第３の発明は、第２の発明にかかる太陽電池素子が、パネル上に複数本隣接して、かつ各太陽電池素子の太陽電池セル同士が間隙を有するように、並行に並べられていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

第４の発明は、断面円状のガラス母材を分割して断面扇型とし、さらに扇型の要部分を切り取り、かつ扇形の側面にこの線状集光レンズ同士を隣接配置したとき互いに面接触可能な基板に垂直な接触面を設け、長手方向に垂直な方向からの入射に対して集光機能を有し、要部分が切り取られ平面状となった断面略扇型である断面形状のレンズ母材を形成し、この断面における根元部の平面状部分の幅をＷ _０ 、この断面の高さをＨとしたとき、Ｈ＝２ｍｍ〜０．３ｍｍ、Ｗ _０ ＝２ｍｍ〜０．３ｍｍで、Ｗ _０ ／Ｈが１以上、２．５以下で、かつ線状集光レンズの幅が０．５ｍｍ〜５ｍｍとなるように、ヒーターで加熱しながら延伸して線状の集光レンズを形成することを特徴とする線状集光レンズの製造方法である。
レンズ母材を延伸して線状集光レンズを形成した後、前記線状集光レンズの表面に樹脂を被覆してもよい。
第５の発明は、第４の発明にかかる線状集光レンズの製造方法によって、要部分が切り取られ平面状となった断面略扇型の線状集光レンズを製造後、前記平面状部分に太陽電池セルを接触配置することを特徴とする太陽電池素子の製造方法である。
さらに、前記太陽電池セルの周囲に反射層を形成してもよい。
第６の発明は、第５の発明にかかる陽電池素子の製造方法により製造された太陽電池素子を、パネル上に複数本隣接して、かつ前記太陽電池素子の太陽電池セル同士が間隙を有するように、並行配置することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法である。

このようにしてなる本発明によれば、線状の細い集光レンズの根元部に、集光レンズにより形成される集光領域の幅、すなわち集光部の幅と略同じ幅を有する条状の太陽電池セルが接触配置されて太陽電池素子が形成されるため、この太陽電池素子をパネル上に複数本隣接して並べた太陽電池モジュールにあっては、太陽電池セル同士の間に隙間ができる。すなわち発電に寄与しない太陽電池セルが存在しなくなる。その結果、太陽電池モジュール全体の発電効率が向上し、しかも軽量化が図れる。
また、この線状集光レンズをガラス製にすれば、例えば、光ファイバ母材の線引き技術を応用して細線化が可能なため、集光レンズを極めて細くすることが可能になる。その結果、この集光レンズを用いた太陽電池モジュールの小型化が可能になる。

以上のようにしてなる本発明によれば、線状集光レンズを用いた太陽電池モジュールの発電効率を向上させ、しかも少なくとも太陽電池モジュールの軽量化が可能な線状集光レンズ、これを用いた太陽電池素子及び太陽電池モジュールを提供することができる。

以下に、図を用いて、本発明に係る線状集光レンズ、これを用いた太陽電池素子及び太陽電池モジュールの実施の形態を詳細に説明する。尚、言うまでもなく、本発明は以下に述べる実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る太陽電池素子１を長さ方向に延びる軸に対して垂直に切断した切断面を示す断面図である。
図１に示すように、この太陽電池素子１は、長手方向に延びる軸に対する垂直断面が略扇型であって、該扇型の根元部が平面状になっているガラス製の線状集光レンズ２（以下単に集光レンズ２という。）を有している。尚、この集光レンズ２の断面は左右対称の扇型になっている。
そして、この集光レンズ２の扇型の要の部分、すなわち平面状の根元部には、図１及び図２に示すように、集光レンズ２により、この根元部に太陽光等の外部光３を集光して形成される集光領域、すなわち、集光部の幅である集光幅Ｓと略同じ幅Ｔの条状発電領域を有する条状の太陽電池セル４が接触配置されている。
このように、太陽電池素子１は、基本的には集光レンズ２とこのレンズの根元部に接触配置された条状の太陽電池セル４とを有している。
ところで、図２は、図１に示す太陽電池素子の下部拡大図である。

この条状の太陽電池セル４は、例えば、石英ガラスで作製された条状の基板表面にシリコン膜、すなわち光電変換層が成膜されることにより形成されている。条の幅は集光幅Ｓに合わせて形成される。幅は、製造上の都合と集光レンズ２の大きさを鑑み、０．５ｍｍ〜５ｍｍが好適であり、１ｍｍ〜２ｍｍであればより好ましい。石英ガラスで形成されている条状の基板は高温プロセスでも耐えられるので、この基板上に成膜する方法としては、１０００℃以上の熱ＣＶＤでもよいし、真空プロセスでも適用可能である。
尚、条状の石英ガラス製の基板表面に成膜したシリコン膜（光電変換層）を石英ガラス製の基板と一体のまま使用することもできるし、石英ガラスから切り離して使用することもできる。
後者の場合、高濃度のフッ酸液（ＨＦ）で基板である石英ガラスを溶解してもよい。このようにすれば、シリコン膜の裏面に別途下部電極を配置することも可能になる。

具体的に、太陽電池セル４としては、ｎ側電極として、石英ガラス基板の上にＺｎＯをスパッタにて膜厚がそれぞれ１００ｎｍになるように積層し、次にマルチチャンバプラズマＣＶＤ装置によりこのＺｎＯ上に、ｎ型ａ−Ｓｉ（Ｐドープ）、ｉ型ａ−Ｓｉ、ｐ型ｃ−Ｓｉ（Ｂドープ）を順に、各膜厚をそれぞれ１００ｎｍ、１０００ｎｍ、１００ｎｍで積層し、次にｐ側電極としてＩＴＯをスパッタにて成膜し、最後にｐ側電極の補助電極としてＡｇをスパッタにて成膜したものを用いた。もちろん、本発明では、このような太陽電池セル４に限定されるものではなく、他の構成からなるシリコン膜、すなわち、太陽電池セル４でも使用できることは言うまでもない。

尚、図１において、符号５は、必要に応じて線状の太陽電池セル４を支持するために設けたガラス等からなる支持体であり、特にシリコン膜を形成した土台であるガラス基板をフッ酸等でエッチングし除去した場合に用いる。
また、符号６は、太陽電池セル４やこれを支持する支持体５の側面や下面を覆うＡｌ等の金属からなる反射層である。この反射層６は、集光レンズ２で集光され、下方の太陽電池セル４に入射された光が外部に放射されずに、反射層６により多段に反射され、光エネルギーが有効に電気に変換されるような役割を担っている。

ところで、条状の太陽電池セル４の幅Ｔは、前述したように、集光レンズ２により、その根元部に外部光３を集光して形成される集光領域（集光部）の幅である集光幅Ｓと同じか、それよりも若干広めに形成されている。因みに幅Ｗ_１は、太陽電池セル４の幅Ｔに、太陽電池セル４の両側面を覆っている反射層６の厚さ分を加えたものを示している。
この集光ルレンズ２の最適寸法は、例えば、図１における高さＨについては、好ましくは２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であり、図２に示す幅Ｗ_１の最適値は２ｍｍ〜０．３ｍｍである。
尚、Ｈ、Ｗ_１とも上限値は２ｍｍであり、これ以上になると後述するような方法で製造した集光レンズ２を、その剛性が原因でドラムに巻き取り難くなるからである。そのため、高速での巻取りが困難になり、生産性が極端に悪化する。
ここで図３は、集光レンズ２の上方から入射した光量に対して、集光部に集光された光量の割合と、その光の方向から投影した面積に対する集光部に光が届いた面積の割合を、Ｗ_０／Ｈに対してプロットしたものである。前者を黒い四角で、後者を白丸で示している。尚、Ｗ_０は、図１に示すように集光レンズ２の根元部に形成されている平面状部分の幅を示している。
図３から判るように、Ｗ_０／Ｈが１程度になると、反射回数が多くなっていって、集光部に届く光量が減衰してしまう。他方、Ｗ_０／Ｈが大きければ大きいほど、集光レンズ２の上面と太陽電池セル４の距離が小さくなるので、集光部に届く光量は大きくなるが、、集光部が大きくなると、太陽電池モジュール全体の重量が大きくなってしまう。よってこれらを勘案すると、好適なＷ_０／Ｈの範囲は１以上、２．５以下である。

ところで、集光レンズ２を前述のようにＨ、Ｗ_０＝２ｍｍ〜０．３ｍｍという極めて細い線状体に形成するには、従来のように樹脂を成形加工する方法では到底得ることができない。
そこでこの発明では、太陽電池モジュール全体をより小型にするために、集光レンズ２を石英ガラス製のものにし、かつ図４に示すように円筒状の石英ガラス母材を分割して得たレンズ母材２‘を、図５に示すような、いわゆる光ファイバを線引きする方法で延伸して得ることにした。

具体的には、まず、図４に示すような、例えば、外面が真円からなる長さ１．５ｍの石英ガラス製の円筒７を、中心角度６０°で６分割して断面扇型とし、さらに扇型の要部分を切り取り、断面略扇型のレンズ母材２‘を６個得た。
このうちの１個のレンズ母材２‘を、図５に示すように、ヒーター１０を有する炉温約２０００℃の加熱炉１１に所定速度で挿入し、加熱して、前述したように、所定の大きさ、例えばＨ＝６００μｍ、Ｗ_０＝９００μｍの大きさになるように延伸速度を調整して延伸し、線状の集光レンズ２を得た。
ところで用いたレンズ母材２‘の表面の平均表面粗さは０．３μｍ、側面の平均表面粗さは１．０μｍであった

延伸直後に、この集光レンズ２がロール等に接触して傷付かないように、加熱炉１１の直後に設けた被覆装置１２を通してその表面に、例えば紫外線硬化性樹脂を被覆し、これを硬化装置１３で紫外線を照射して硬化させた。しかる後引取機１４で引取り、さらに張力調整ロール１５、１５、１５や案内ロール１６を介してボビン１７を有する巻取機で巻き取った。
因みに、集光レンズ２の、図１における高さＨと幅Ｗ_０の寸法の微調整は、延伸速度の調整により行うことができる。

ところで、前記実施の形態では、被覆樹脂として紫外線硬化性樹脂を用いているが、他にも熱硬化性樹脂やこれら以外の樹脂も使用できることは言うまでもない。尚、熱硬化性樹脂で被覆するなら、硬化装置としては加熱炉が用いられる。
また、被覆された被覆層は、実際に集光レンズ２として太陽電池モジュールに使用される段階では、溶剤等を用いて除去される。

前述のようにして得られた集光レンズ２は、その表面を覆っていた被覆層を除去された後、例えば、図１に示すように、根元部、すなわち集光部下部に太陽電池セル４が接触配置され、太陽電池素子１が形成される。
尚、太陽電池セル４の前面から電流を取り出し易いように、太陽電池セル４の幅Ｔは、集光幅Ｓより大きくする場合もあるが、基本的にはほぼ同一の幅であり、平面状の根元部とほぼ同じ幅であることが望ましい。
また、従来のような平面状の太陽電池モジュールでも集光レンズ２の下部のみに太陽電池セルが形成されてもよい。

このようにして太陽電池素子１が形成されたら、図６に示すように、これら太陽電池素子１を、これら太陽電池素子１の集光レンズ２の側面に形成されている接触面８同士を互いに面接触させながら、複数本隣接してパネル２０上に並行配置せしめて太陽電池モジュール３０とした。
尚、前述したように、この実施の形態においては、集光レンズ２の長手方向に対して平行に導光するように、太陽電池セル４はその下部を電極で覆った導波構造にしてもよい。
また、集光レンズ２の長手方向に対して東西に太陽電池素子１を設置することにより、線状レンズ２の入射面に対して太陽光が垂直に入射しない場合、つまり太陽が太陽電池素子１の直上にある場合以外は、ある角度を持ってレンズに入射し、さらに太陽電池セル４に入射して、太陽電池セル４内を集光レンズ２の長手方向に導波することができるようにすることもできる。

以上説明したように、各集光レンズ２の根元部に接触配置されている太陽電池セル４は、図１に示すように集光レンズ２の根元部に、集光レンズ２により形成される外部光３の集光幅Ｓと略同じ幅の条状体である。
それ故、図６に示すように、隣接する集光レンズ２、２間にあって、外部光３が集光されない部分には太陽電池セル４は存在しない。もちろん、必要により太陽電池セル４を支持する支持体５も、集光レンズ２で外部光３が集光されていない部分にあっては、省略されてもよい。
このように、図６に示す如く、隣接配置される集光レンズ２の根元部にあって、各太陽電池セル４同士は、間隙１８を有している。

その結果、従来のように隣接する集光レンズ２の下面に連続的に全面に亘って太陽電池セル４やこれを支持する支持体５が配置されていたものと比較すると、図６に示す太陽電池モジュール３０では、間隙１８に相当する太陽電池セル４の分と、あるいは必要により、この太陽電池セル４の下に支持体５を設けた場合は、間隙１８に相当するこの支持体５の分だけ全体の重量が軽くなる。
また、従来のように樹脂で集光レンズ２を成形加工した場合には、集光レンズ２の幅を１０ｍｍ以下にすることは極めて困難であるが、ガラス製にして、図５に示すように延伸すれば、図１における太陽電池素子１の高さＨや幅Ｗ_０が、例えば、０．３ｍｍ前後の極めて細いものを容易に得ることができる。
その結果、一定面積のパネル２０上に、従来のものより高密度で集光レンズ２を並行配置でき、単位面積当りの発電効率を向上させることができる。そして、太陽電池モジュールの小型化も図れる。

ところで図４に示す石英ガラス製のレンズ母材２‘は、例えば、火炎加水分解法、すなわちスート法で作製されたガラスロッドから切り出すとよい。このようにスート法で製造された母材を使用することで、希土類元素を母材にドープしたり、フッ素やゲルマニウムを母材にドープすることも容易になる。
特に、希土類元素をドープした場合は、通常、太陽電池では使用できない波長域の光をも発電可能な波長域の光に変換することが可能となり、好ましい。
またレンズ母材２‘としては、図４に示す装置を採用できるものであればよく、それ故、石英ガラスに限らず多成分系ガラスでもよいことは言うまでもない。

また、レンズ母材２‘をガラス製の円筒体から切り出した場合、その切断面の平均表面粗さはどうしても大きくなってしまう。
しかしながら、図５に示す方法で延伸した場合には、例えば、通常、レンズ母材２‘の寸法の１／１０程度の寸法に延伸するため、またレンズ母材２’は加熱炉１１のヒーター１０で加熱され、溶融するため、仮に最初レンズ母材２’の表面の表面粗さが大きかったとしても、延伸して得られた集光レンズ２の表面粗さは小さくなる。
もちろん必要なら、加熱延伸する前に、レンズ母材２‘の表面を予めエッチングや研磨等して、表面粗さを小さくしておいてもよい。

また、図５の装置においては、延伸された集光レンズ２の表面に紫外線硬化性樹脂を塗布し、これに紫外線照射して硬化させているが、単に、被覆装置１２により、集光レンズ２に非接触で被覆材を噴霧して被覆層を形成することもできる。
さらには、この集光レンズ２を太陽電池素子１に組み立てる際、被覆層の除去をより容易にするために、延伸直後の集光レンズ２の表面に保護テープを貼ったり、保護ラップを巻いたりして被覆層を形成することもできる。

以上に述べたように本発明によれば、集光レンズを用いた太陽電池モジュールの発電効率を向上させ、しかも太陽電池モジュール全体の軽量化が可能で、加えて、集光レンズをガラス製にすれば、集光レンズのより細線化が可能で、それ故、太陽電池モジュールの小型化も可能な集光レンズ、これを用いた太陽電池素子及び太陽電池モジュールを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る条状の太陽電池素子の断面図である。 図１に示す太陽電池素子の下部を示す拡大図である。 集光レンズの上方から入射した光量に対する、集光部に集光された光量の割合と、その光の方向から投影した面積に対する集光部に光が届いた面積の割合を、Ｗ_０／Ｈに対して示したグラフである 本発明の線状集光レンズを得るために用いる母材を得るための円筒母材の断面図である。 本発明の線状集光レンズを得るための製造装置の一例を示す概略図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 太陽電池素子
２ 線状集光レンズ
３ 外部光
４ 太陽電池セル
５ 支持体
６ 反射層
８ 接触面
１１ 加熱炉
１２ 被覆装置
１４ 引取装置
１７ 巻取機
１８ 間隙
２０ パネル
３０ 太陽電池モジュール

Claims (9)

1. 長手方向に延びる軸に対する垂直断面の形状において、その根元部が平面状の略扇型形状をなすガラス製の線状集光レンズであって、さらに、前記垂直断面内における根元部の平面状部分の幅をＷ_０、この垂直断面の高さをＨとしたとき、Ｈ＝２ｍｍ〜０．３ｍｍ、Ｗ_０＝２ｍｍ〜０．３ｍｍで、Ｗ_０／Ｈが１以上、２．５以下で、かつ線状集光レンズの幅が０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、
   前記線状集光レンズはその側面に、この線状集光レンズ同士を隣接配置したとき互いに面接触可能な基板に垂直な接触面を有していることを特徴とする線状集光レンズ。
2. 請求項１に記載の線状集光レンズと、該線状集光レンズの平面状の根元部に接触配置され、かつ前記線状集光レンズにより前記根元部に形成される集光部の幅と略同じ０．２ｍｍ〜５ｍｍの幅を有する太陽電池セルとが一体化されていることを特徴とする太陽電池素子。
3. 前記太陽電池セルの周囲に反射層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池素子。
4. 請求項２または請求項３いずれかに記載の太陽電池素子が、パネル上に複数本隣接して、かつ各太陽電池素子の太陽電池セル同士が間隙を有するように、並行に並べられていることを特徴とする太陽電池モジュール。
5. 断面円状のガラス母材を分割して断面扇型とし、さらに扇型の要部分を切り取り、かつ扇形の側面にこの線状集光レンズ同士を隣接配置したとき互いに面接触可能な基板に垂直な接触面を設け、長手方向に垂直な方向からの入射に対して集光機能を有し、要部分が切り取られ平面状となった断面略扇型である断面形状のレンズ母材を形成し、この断面における根元部の平面状部分の幅をＷ _０ 、この断面の高さをＨとしたとき、Ｈ＝２ｍｍ〜０．３ｍｍ、Ｗ _０ ＝２ｍｍ〜０．３ｍｍで、Ｗ _０ ／Ｈが１以上、２．５以下で、かつ線状集光レンズの幅が０．５ｍｍ〜５ｍｍとなるように、ヒーターで加熱しながら延伸して線状の集光レンズを形成することを特徴とする線状集光レンズの製造方法。
6. レンズ母材を延伸して線状集光レンズを形成した後、前記線状集光レンズの表面に樹脂を被覆することを特徴とする請求項５記載の線状集光レンズの製造方法。
7. 請求項５または請求項６のいずれかに記載された線状集光レンズの製造方法によって、要部分が切り取られ平面状となった断面略扇型の線状集光レンズを製造後、前記平面状部分に太陽電池セルを接触配置することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
8. さらに、前記太陽電池セルの周囲に反射層を形成することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池素子の製造方法。
9. 請求項７または８に記載された太陽電池素子の製造方法により製造された太陽電池素子を、パネル上に複数本隣接して、かつ前記太陽電池素子の太陽電池セル同士が間隙を有するように、並行配置することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
   

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