JP6037226B2 - 太陽電池構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池に関し、段差を有する構造物に設置される太陽電池構造体に関する。
無尽蔵の太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池とも称される光起電力素子の開発が各方面で精力的に行われている。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶質系シリコンを用いた光起電力素子または光起電力装置の研究および実用化が盛んに行われている。
近年、ビルや住宅用の電源として用いるため屋根や壁面に太陽電池が設置される場合や、電気自動車をはじめとする自動車用の電源として自動車の屋根に太陽電池が設けられることがある。この場合、単に発電設備としての機能が求められるだけでなく、構造物の美的外観の見地からデザイン面での機能を求められることがある。例えば、可撓性を有する太陽電池を用いることにより、自動車の屋根部の曲面に沿って設置可能な光電変換装置が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−51231号公報
一般に、電力変換効率が高いとされる結晶系太陽電池は可撓性を有していないため、構造物の平坦な箇所に太陽電池を設けることは容易であっても、曲率の大きい曲面部や段差部のデザインを活かしながら、構造物の曲面や段差に沿って設置することは困難である。この場合、構造物の平坦部に入射する光を利用して発電できたとしても、曲面や段差部に入射する光を有効利用できないこととなる。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、デザイン性を保ちつつ、発電量を高めることのできる太陽電池構造体を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽電池構造体は、平坦部と段差部を有する構造物と、平坦部および段差部を被覆する導光層と、平坦部を被覆する導光層の上に設けられる光電変換部と、を備える。導光層は、当該導光層に入射する光を光電変換部に導光する。
本発明によれば、デザイン性を保ちつつ、発電量を高めた太陽電池構造体を提供することができる。
本発明の実施形態における太陽電池構造体を示す上面図である。 本発明の実施形態における構造物の構造を示す正面図である。 太陽電池構造体の構造を示す断面図である。 導光層および光制御層の構造を示す断面図である。 変形例1における太陽電池構造体の構造を示す断面図である。 変形例2における太陽電池構造体の構造を示す断面図である。 変形例3における太陽電池構造体の構造を示す断面図である。 変形例4における太陽電池構造体の構造を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
図1は、本発明の実施形態における太陽電池構造体100を示す外観図であり、図2は構造物10の構造を示す外観図である。太陽電池構造体100は、段差を有する構造物10と、光電変換部20と、導光層30を備える。本実施形態において、構造物10は自動車であり、自動車の屋根のデザインとして、複数の平坦部12と、その間の領域に設けられる段差部14が設けられる。段差部14での段差は、0.5cm〜5cm程度である。
光電変換部20は、平板形状の太陽電池であるため、平坦な面または緩やかな曲率を有する曲面である平坦部12の上に設置することは容易であるが、段差部14のデザインを活かしながら段差部14の段差に沿って設置することは困難である。そうすると、光電変換部20の上から直接入射する光は発電に寄与させることができるものの、段差部14に入射する光を発電に寄与させることができず、自動車の屋根の全面に光電変換部20を設けた場合と比べて発電量が低下してしまう。そこで、本実施形態においては、平坦部12及び段差部14を被覆する導光層30を設けるとともに、導光層30の上に光電変換部20を配置する。導光層30を設けることで、段差部14に向けて入射する光を導光層30に導光させて光電変換部20に向かわせることができる。したがって、太陽電池構造体100は、段差部14のデザインを犠牲にすることなく、光電変換部20の発電量を高めることができる。
図3は、太陽電池構造体100の構造を示す断面図である。太陽電池構造体100は、構造物10と、光電変換部20と、導光層30と、光制御層34と、保護基板40と、封止層42を備える。
構造物10は、第1平坦部12aと、第2平坦部12bと、段差部14を備える。第1平坦部12aおよび第2平坦部12b(以下、総称する場合は平坦部12という)は、構造物10の表面において、平坦面または緩やかな曲率を有する曲面が設けられる領域である。段差部14は、第1平坦部12aと第2平坦部12bの間の領域に設けられ、所定の方向(x方向)に向かって高さ(z方向)が連続的に変化する平面または曲面が形成される領域である。
光電変換部20は、導光層30を介して平坦部12の上に設けられる。光電変換部20は、受光面から入射する光を吸収して光起電力を発生させる層であり、例えば、結晶系シリコン、ガリウム砒素(GaAs)又はインジウム燐(InP)等の半導体材料からなる基板を有する。発電層の構造は、特に限定されないが、本実施形態では、n型単結晶シリコン基板と非晶質シリコンのヘテロ接合を有する。光電変換部20は、第1受光面20aと、第1受光面20aに対向する第2受光面20bと、を有し、第1受光面20aと第2受光面20bのいずれから光が入射したとしても発電することのできる両面入射型の光起電力素子である。第1受光面20aは、主に太陽光が直接入射する面であり、第2受光面20bは、主に導光層30に導光される光が入射する面である。
光電変換部20は、例えば、n型単結晶シリコン基板の第1受光面20a側に、i型非晶質シリコン層、ボロン(B)等がドープされたp型非晶質シリコン層、酸化インジウム等の透光性導電酸化物からなる透明導電層の順番で積層される。また、基板の第2受光面20b側に、i型非晶質シリコン層、リン(P)等がドープされたn型非晶質シリコン層、透明導電層の順番で積層されている。光電変換部20の厚さは、0.3mm程度である。
また、光電変換部20は、発生した光起電力を外部に取り出すための電極部を有する。電極部は、第1受光面20aと第2受光面20bにそれぞれ設けられ、櫛状に設けられたフィンガー電極と、それを接続するバスバー電極とを有する。
保護基板40は、光電変換部20を外部環境から保護するとともに、光電変換部20が発電のために吸収する波長帯域の光を透過する。保護基板40は、例えば、ガラス基板であり、その厚さは4mm程度とすればよい。封止層42は、EVA、ポリイミド等の樹脂材料であり、その厚さは0.5mm程度とすればよい。これにより、光電変換部20への水分の浸入等を防ぐとともに、太陽電池構造体100全体の強度を向上させる。保護基板40および封止層42は、光電変換部20の第1受光面20aの上に設けられるため、保護基板40に入射する光A1は、主に光電変換部20の第1受光面20aに入射し、光電変換部20の発電に寄与することとなる。
導光層30は、平坦部12及び段差部14の上を被覆して設けられる柔軟性を有するシート状部材であり、導光層30に入射した光を光電変換部20に導光する。導光層30は、導光される光の強度が減衰しないよう、透光性の高い材料とすることが望ましい。また、導光層30の界面にて光を全反射させながら導光することができるよう、後述する光制御層34と比べて屈折率の高い材料としてもよい。導光層30の厚みは、0.7mm程度とすればよい。なお、導光層30と構造物10の間に、導光される光を反射するための金属シートなどをさらに設けてもよい。また、導光層30を保護するため、導光層30と構造物10との間に保護部材が設けられもよい。
また、導光層30は、光電変換部20の下に設けられる光拡散部32を有する。光拡散部32は、導光層30を通ってx方向に導光された光を拡散させて、光電変換部20が設けられる方向であるz方向に光の向きを変える光学部材である。光拡散部32は、例えば、微細な凹凸構造が周期的に設けられる回折格子や、微細なピラミッド型形状が配列されるテクスチャ構造である。なお、光拡散部32は、光拡散部32に入射する光の向きを選択的にz方向に変える構造とすることが望ましい。
光制御層34は、平坦部12を被覆する導光層30の上に設けられ、導光層30に向かって入射する光の向きを制御する。また、光制御層34は、光電変換部20が設けられない平坦部12である第2平坦部12bの上にも設けられる。光制御層34を設けることで、より多くの光を導光層30に導光させるとともに、光電変換部20が設けられる方向に光を向かわせることができる。
図4は、導光層30および光制御層34の構造を示す断面図である。光制御層34は、導光層30の上に設けられる配向層38と、配向層38の上に設けられる集光層36を有する。集光層36は、集光層36に入射する光Aを導光層30に垂直な法線方向に向かうように集光し、集光された光Bは、配向層38に垂直に近い角度で入射することとなる。集光層36として、例えば、複数の凸レンズが周期的に配列されたレンズアレイシートを用いればよく、配向層38に垂直に入射させるためには、それぞれの凸レンズを構成する曲面を回転放物面とすることが望ましい。なお、集光層36として、断面形状が三角形であるプリズム構造を周期的に配列させたプリズムシートを用いてもよい。集光層36の厚みは、0.5mm程度とすればよい。
配向層38は、集光層36により集光された光Bの向きを導光層30が延びるx方向に変えて導光層30に入射させ、導光層30に入射させた光が導光層30の内部を全反射しながらx方向に導光されるように光の向きを変える。配向層38は、集光層36を構成する凸レンズの周期に対応して周期的に配列される複数の光学要素38aを備える。光学要素38aは、集光層36との境界となる第1底面38bと、導光層30との境界となる第2底面38cと、x方向に傾いた傾斜面38dにより構成される角錐台形状を有する。光学要素38aは、第1底面38bと比べて第2底面38cの面積が小さく、第1底面38bに垂直に近い角度で入射する光Bを傾斜面38dで反射させ、第2底面38cを通して導光層30に斜入射させる。これにより、導光層30に斜入射する光Cは、光電変換部20に向けてx方向に導光されることとなり、より多くの光を光電変換部20に向かわせることができる。配向層38の厚さは、0.2mm程度とすればよい。
上述の構成により、太陽電池構造体100は、光電変換部20に入射する光の量を増やして発電量を向上させることができる。図3に示すように、段差部14や光電変換部20が設けられていない第2平坦部12bに入射する光A2、A3は、導光層30に集光され、光電変換部20に向かって導光される。導光層30を導光する光は、光電変換部20の下に設けられる光拡散部32によって拡散され第2受光面20bに入射する。このため、太陽電池構造体100においては、光電変換部20の上の保護基板40に入射する光A1のみならず、光電変換部20が設けられる領域以外に入射する光A2、A3を発電に寄与させることができる。その結果、太陽電池構造体100は、導光層30が設けられない場合と比較して、発電量を向上させることができる。
また、太陽電池構造体100において、段差部14の上を被覆する導光層30は柔軟性を有し、段差部14の段差形状に沿って設けることができるため、構造物10のデザイン性を犠牲にすることなく太陽電池構造体100を設置することができる。
なお、図1に示す太陽電池構造体100において、右(+x方向)側に設けられる光電変換部20Rと左(−x方向)側に設けられる光電変換部20Lのそれぞれに光を導光できるよう、導光層30の上に設けられる光制御層34の構造を左右で異なるものとしてもよい。例えば、中央の平坦部12においてy方向に延びる中心線Yを境にして、右側の導光層30の上には、光が右方向に導光されるように向きを変える光制御層34を設け、左側の導光層30の上には、光が左方向に導光されるように向きを変える光制御層34を設ける。これにより、中央の平坦部12および段差部14に入射する光を効率的に左右の光電変換部20L、20Rに導光させることができる。このような光制御層34として、例えば、光を導光させる方向が途中で逆向きになる配向層38を用いればよい。その他、光を所定方向に導光させる配向層38を2枚用意し、左右で配向層38が導光する方向が逆向きとなるように2枚の配向層38を配置してもよい。
図5は、変形例1における太陽電池構造体100の構造を示す断面図である。上述した実施形態とは、第1受光面20a側に設けられる第1保護基板40aのみならず、第2受光面20b側に設けられる第2保護基板40bを備える点が異なる。光電変換部20は、導光層30に接するように設けられず、光電変換部20と導光層30の間に第2保護基板40bと封止層42が設けられる。変形例1においては、光電変換部20が第1保護基板40aおよび第2保護基板40bにより封止されるため、光電変換部20をより効果的に保護することができる。なお、封止層42の外周にブチルゴムなどの封止材をさらに設けることで、太陽電池構造体100の信頼性をさらに高めることができる。
図6は、変形例2における太陽電池構造体100の構造を示す断面図である。上述した実施形態とは、保護層41および封止層42により、光電変換部20のみならず、光電変換部20が設けられていない第2平坦部12bや段差部14の上を被覆する導光層30および光制御層34も封止されている点が異なる。保護層41は、平坦部12および段差部14の形状に対応した段差形状を有し、構造物10の上に設けられる光電変換部20、導光層30および光制御層34を封止する。保護層41が構造物10の段差を反映した形状を有することにより、構造物10のデザイン性を犠牲にすることなく太陽電池構造体100の耐久性をより高めることができる。なお、保護層41として可撓性を有するシート状の樹脂材料を用いることで、構造物10の段差形状に対応できるようにしてもよい。
図7は、変形例3における太陽電池構造体100の構造を示す断面図である。上述した実施形態とは、第1平坦部12aのみならず、第2平坦部12bの上にも光電変換部20が設けられている点が異なる。このとき、それぞれの光電変換部20の上の保護基板40に入射する光A1は、光電変換部20の第1受光面20aに入射し、光電変換部20の発電に寄与することとなる。段差部14に入射する光A2は、導光層30に集光されるとともに、右側に設けられる光電変換部20Rに向かって右方向に導光され、右側の光電変換部20Rの第2受光面20bに入射する。左側の光電変換部20Lよりもさらに左側の領域における第2平坦部12bに入射する光A3は、導光層30に集光されるとともに、左側に設けられる光電変換部20Lに向かって右方向に導光されて左側の光電変換部20Lの第2受光面20bに入射する。このように、構造物10が有する複数の平坦部12に光電変換部20を設けることで、発電量をさらに高めることができる。
なお、段差部14を被覆する導光層30の上にアモルファスシリコン層などで形成される可撓性を有する光起電力素子を設けることにより、発電量をさらに高めてもよい。一般に、結晶質シリコンとアモルファスシリコンとでは、発電に寄与する光の吸収波長が異なるため、段差部14にアモルファスシリコン層を設けたとしても、アモルファスシリコン層を透過した光を光電変換部20に導光して発電に寄与させることができる。したがって、段差部14に設けられる光起電力素子により発電量を向上させるとともに、導光層30により導光された光によって平坦部12に設けられる光電変換部20の発電量を向上させることができる。
図8は、変形例4における太陽電池構造体100の構造を示す断面図である。変形例4における太陽電池構造体100では、段差部14に近い領域W1と段差部14から遠い領域W2とで電極部24が形成される電極面積に差が設けられる。例えば、段差部14に近い領域W1には、段差部14から遠い領域W2と比べて2倍の本数の電極を設けることで、段差部14に近い領域W1の電極面積が広くなるようにして電極部24が設けられる。
段差部14から導光される光Cは、光拡散部32より拡散されて光電変換部20の発電層22に向かうこととなるが、このとき、光電変換部20の第2受光面20bに入射する光は、段差部14に近い領域W1の方が段差部14から遠い領域W2に比べて多くなる。そのため、領域W1と領域W2において発電層22の発電量が異なることとなる。このように、発電層22の領域によって発電量が異なる場合に、発電量が比較的多い領域W1の電極面積を大きくすることで、より多くの電力を集電することができ、太陽電池構造体100の発電量を向上させることができる。
なお、電極部24を構成するバスバー電極やフィンガー電極の本数を増やすのではなく、電極部24の厚さを厚くしたり、電極部24を構成するバスバー電極やフィンガー電極の1本あたりの電極面積を広くしたりすることにより、電極部24の集電能力に差を設けてもよい。また、導光層30の構造や光拡散部32の配置に応じて第2受光面20bへ拡散される光の強度分布が変わることとなるため、第2受光面20bへ入射する光の強度分布に対応させて集電能力を高める領域を設定し、電極部24の形状に差を設けてもよい。
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
上述した実施形態および変形例においては、光電変換部20が、一つの光起電力素子で構成される場合について示したが、光電変換部20として、複数の光起電力素子が接続部材により接続された太陽電池モジュールを用いてもよい。また、光電変換部20として用いる太陽電池モジュールは、上述した実施形態において示した保護基板および封止層により封止されていてもよく、保護基板および封止層により封止された太陽電池モジュールが、さらに保護層41および封止層42により封止されていてもよい。
上述した実施形態および変形例においては、光制御層34を設けることにより、入射光のより多くを導光層30に導光させることとしたが、光制御層34のない場所を設けることで、構造物10の表面へ直接達する光を増やし、構造物10の表面で反射させる光の一部を導光層30に導光されることのないようにしてもよい。この場合、光電変換部20の発電量を向上させる効果は低減されるが、入射光の一部を構造物10の表面で反射させることで、導光層30ごしに構造物10の表面の色やデザインを見せることができ、構造物10のデザイン性を高めることができる。また、光制御層34として、導光層30へ導光させる効率を下げるとともに、一部の光を太陽電池構造体100の外に反射させる光制御層34を用いて、構造物10の表面の色やデザインをより綺麗に見せることとしてもよい。
上述した実施形態および変形例においては、光電変換部20と導光層30の間には光制御層34を設けないことしたが、この領域にも光制御層34を設けてもよい。この場合、導光層30と光制御層34が一体化されたシート状部材を構造物10の上に被覆し、その上に光電変換部20を配置することで、太陽電池構造体100とすることができる。そのため、光電変換部20が配置されるか否かによらず、導光層30と光制御層34が一体化されたシート状部材のみを設ければよいため、より容易に太陽電池構造体100を製造することができる。
上述した実施形態および変形例においては、構造物10として自動車の屋根を例に挙げたが、光電変換部20および導光層30が設けられる構造物10として、その他のものを対象としてもよい。例えば、構造物10として、航空機や船舶などの輸送手段や、自動車および船舶に積載されるコンテナを対象としてもよいし、家屋やビルなどの建造物を対象としてもよい。また、構造物10が有する段差部14として、構造物10における屋根部の段差形状や、側面の外壁部の段差形状などを対象としてもよい。
なお、以下の組合せによる太陽電池構造体についても本発明の範囲に含まれうる。
(1)太陽電池構造体は、平坦部と段差部を有する構造物と、平坦部および段差部を被覆する導光層と、平坦部を被覆する導光層の上に設けられる光電変換部と、を備える。導光層は、当該導光層に入射する光を光電変換部に導光する。
この態様によれば、光電変換部が設けられていない段差部に向かう光を導光層に入射させるとともに、導光層に入射した光を光電変換部に導光することができる。そのため、光電変換部が設けられていない領域に入射する光を発電に寄与させることができ、太陽電池構造体の発電量を向上させることができる。また、導光層は、平坦部および段差部を被覆して設けられるため、構造物の段差形状によるデザイン性を犠牲にすることなく、太陽電池構造体の発電量を向上させることができる。
(2)太陽電池構造体は、導光層の上に設けられ、導光層に向けて入射する光の向きを制御する光制御層をさらに備え、光制御層は、導光層の上に設けられる配向層と、配向層の上に設けられる集光層と、を有し、集光層は、入射する光を導光層に向けて集光し、配向層は、集光層により集光された光の向きを導光層が延びる方向に変える(1)に記載の太陽電池構造体であってもよい。
この態様によれば、光制御層は、集光層にさまざまな角度で入射する光の向きを、いったん導光層に向けて集光し、集光された光を導光層が延びる方向に変えるため、より多くの入射光を導光層が延びる方向に導光することができる。そのため、光制御層を設けない場合と比べて、光電変換部に導光させる光の量を増やし、太陽電池構造体の発電量を向上させることができる。また、光制御層は、導光層の上を被覆するように設けられるため、構造物のデザイン性を犠牲にすることなく、太陽電池構造体の発電量を向上させることができる。
(3)導光層は、導光する光を光電変換部に向けて拡散させる光拡散部を備え、光拡散部は、光電変換部の下に設けられる(1)または(2)に記載の太陽電池構造体であってもよい。光電変換部の下に光拡散部を設けることにより、光電変換部に向かって導光される光をより効率的に光電変換部に入射させて、発電に寄与させる光の量を増やすことができる。これにより、構造物のデザイン性を犠牲にすることなく、太陽電池構造体の発電量を向上させることができる。
(4)平坦部および段差部の形状に対応した段差形状を有し、光電変換部および導光層を被覆する保護層と、光電変換部および導光層と保護層との間を封止する封止層と、をさらに備える(1)から(3)のいずれかに記載の太陽電池構造体であってもよい。光電変換部と導光層が保護層および封止層により封止されることで、太陽電池構造体の全体の強度を高め、信頼性を向上させることができる。また、保護層は、構造物の段差形状に対応した形状を有するため、構造物のデザイン性を犠牲にすることなく、太陽電池構造体の信頼性を高めることができる。
(5)光電変換部は、第1受光面と、第1受光面に対向し、導光層側に設けられる第2受光面と、を有し、光電変換部が設けられる平坦部に向かって入射する光を第1受光面に入射させ、導光層に導光される光を第2受光面に入射させる(1)から(4)のいずれかに記載の太陽電池構造体であってもよい。光電変換部の上から入射する光と、導光層に導光される光を、光電変換部が両面に有する受光面にそれぞれ入射させることで、太陽電池構造体の発電量を向上させることができる。
10…構造物、12…平坦部、12a…第1平坦部、12b…第2平坦部、14…段差部、20…光電変換部、30…導光層、32…光拡散部、34…光制御層、36…集光層、38…配向層、40…保護基板、42…封止層、100…太陽電池構造体。

Claims (5)

  1. 平坦部と段差部を有する構造物と、
    前記平坦部および前記段差部を被覆する導光層と、
    前記平坦部を被覆する導光層の上に設けられる光電変換部と、
    を備え、
    前記導光層は、当該導光層に入射する光を前記光電変換部に導光することを特徴とする太陽電池構造体。
  2. 前記導光層の上に設けられ、前記導光層に向けて入射する光の向きを制御する光制御層をさらに備え、
    前記光制御層は、前記導光層の上に設けられる配向層と、前記配向層の上に設けられる集光層と、を有し、
    前記集光層は、入射する光を前記導光層に向けて集光し、
    前記配向層は、前記集光層により集光された光の向きを前記導光層が延びる方向に変えることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池構造体。
  3. 前記導光層は、導光する光を前記光電変換部に向けて拡散させる光拡散部を備え、
    前記光拡散部は、前記光電変換部の下に設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池構造体。
  4. 前記平坦部および前記段差部の形状に対応した段差形状を有し、前記光電変換部および前記導光層を被覆する保護層と、
    前記光電変換部および前記導光層と前記保護層との間を封止する封止層と、をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の太陽電池構造体。
  5. 前記光電変換部は、第1受光面と、前記第1受光面に対向し、前記導光層側に設けられる第2受光面と、を有し、
    前記光電変換部が設けられる前記平坦部に向かって入射する光を前記第1受光面に入射させ、前記導光層に導光される光を前記第2受光面に入射させることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の太陽電池構造体。
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