JP6416333B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽光を受光して電気を発生する太陽電池モジュールに関する。

近年、石油や石炭などのエネルギー資源の枯渇が予想され、それらを代替する代替エネルギーへの関心が高まっている。そのうち、太陽電池は、半導体素子を用いて太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する次世代電池として脚光を浴びている。しかし、太陽電池は、製造コスト、変換効率及び寿命が問題となる。

一方、近年の太陽電池に関する研究は、太陽電池の効率向上に関する技術に集中している。一般に、太陽電池は、基板と、基板とｐｎ接合を形成するエミッタ部とを含み、基板の一面から入射した光を用いて電流を発生する。この場合、太陽電池の電流発生を円滑にするためには入射する光の量が十分でなければならないので、近年、太陽光を集光する装置を有する集光型太陽電池モジュールが開発されている。

集光型太陽電池モジュールは、集光のための光学設計がなされていてモジュールの厚さが厚く、太陽の軌道及び高度を追跡するためのトラッキング装置をさらに必要とする。それだけでなく、集光型太陽電池モジュールは、誤整列（ミスアライン）が発生した場合に集光効率が急激に低下し、製作が難しいのでコストが高いという問題があった。そこで、本発明においては、このような問題を解決できる、太陽光を集光する新しいタイプのメカニズムを提示する。

本発明の目的は、太陽光を集光する太陽電池モジュールにおいて発電効率が向上すると共に整列が容易な新しい構造の装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、太陽電池モジュールにおいてコンパクトな構造でありながらも集光効率を向上させることのできる集光メカニズムを実現することにある。

本発明のさらに他の目的は、太陽電池モジュールにおいて量産性を有しながらも製造コストを低減することのできる集光メカニズムを実現することにある。

上記目的を達成するために、本発明による太陽電池モジュールにおいては、光を集光し、内部反射を利用して集光された光を閉じ込める構造を用いて太陽電池セルとレンズの整列の問題を解決する。

具体的には、本発明による太陽電池モジュールは、複数の太陽電池と、入射する太陽光を受光する平面を形成する第１側、及び前記複数の太陽電池の方向に対向して備えられて前記第１側とは逆方向となる第２側を含み、前記複数の太陽電池から離隔した位置に配置され、前記入射する太陽光を集光して前記第２側から出射するように構成される集光部と、前記集光部の第２側から離隔した位置に配置され、入射した光を前記複数の太陽電池間に規定される空間を経て前記集光部の第２側に反射するように前記集光部の第２側に対向して形成される反射部とを含む。前記集光部の第２側には、前記反射部及び前記複数の太陽電池に対向し、前記集光部により集光されて前記集光部の第２側から出射した太陽光の少なくとも一部を前記集光部と前記反射部間に規定されるエアギャップに閉じ込める反射領域が形成される。

一実施形態において、前記集光部は、前記集光部の第２側に配置され、それぞれが前記複数の太陽電池に向かって膨らんだ形状に形成される複数のレンズを備える。前記集光部の第２側の反射領域は、前記複数のレンズの少なくとも一部を覆うように形成され、前記集光部の第１側に入射した太陽光を集光し、前記集光された太陽光を前記集光部の第２側から出射し、前記反射部で反射して前記集光部の第２側に入射した光を再反射する。前記集光部の第２側の反射領域には、前記集光された太陽光が前記複数のレンズを透過して出射するように複数のスリットが形成されるようにしてもよい。

一実施形態において、本発明による太陽電池モジュールは、トラッキング装置を備えるのではなく、単一の光学シート（集光機能）を用いて太陽の軌道及び高度の全ての光を受光して集光することのできる構造からなる。具体的には、前記集光部の複数のレンズは、第１方向に長く延び、前記第１方向に垂直な第２方向に順次配列される。その例として、前記複数のレンズは、スリットを有するシリンドリカルレンズで構成されて順次配列されるようにしてもよい。

一実施形態において、前記集光部は、異種屈折率を有する複数の材質を含む。前記集光部の第２側が平面からなり、前記集光部が前記集光部の複数の材質の異種屈折率により光を集光するように構成されるフラットレンズであり、前記反射領域が前記集光部の第２側の平面に形成されるようにしてもよい。

一実施形態において、前記集光部の第２側から離隔した位置に配置される前記反射部は、ベース基板と、前記ベース基板を覆うように配置される少なくとも１つの反射板とを含む。

一実施形態において、前記集光部と前記反射部間に規定されるエアギャップは、充填材のない空間として形成されるようにしてもよい。前記反射部には、赤外線の波長を可視光線の波長に変換する波長変換物質が塗布されるようにしてもよい。

本発明による太陽電池モジュールにおいては、スリットを有するレンズを用いることにより、太陽光トラッキング装置を用いることなく集光を行えるようにする。この場合、子午線高度の変化に対して±２５度の画角で対応して集光を行うことができ、それにより発電量を増加させることができる。

また、スリット又は開口を用いて集光を行うことにより、太陽電池モジュールをよりコンパクト又はスリムに製造することができる。

また、エアギャップを用いることにより、大きな構造的変化を伴うことなく、光が集光部と反射部間で全反射して太陽電池に入射するようにすることができる。さらに、エアギャップを用いることにより、太陽電池セルの外面で光が吸収されずに反射することを緩和することができる。より具体的には、太陽電池セルの外面を形成するコーティング膜よりも屈折率の低いエアギャップ内に太陽電池セルを露出することにより、コーティング膜の表面損失を低減することができる。

また、集光部と反射部を用いて光を閉じ込める構造であるので、太陽電池セルとレンズの整列の問題が生じない。よって、セルの大きさ及び形状が自由になり、さらには、大きさや形状が異なるセルを共に使用することも可能になる。従って、本発明の構造によれば、光を集光する太陽電池モジュールの収率が向上し、量産性を確保することができる。

また、本発明によれば、太陽電池モジュールを、波長変換物質を用いて可視光線の量を増加させる構造として実現することができる。

本発明の一実施形態による太陽電池モジュールの概念図である。 図１の集光部の平面図である。 図２のＡ部分の断面図である。 図２のＢ部分の断面図である。 太陽電池モジュールの内部にエアギャップが存在する場合の光経路と太陽電池モジュールの内部に媒質が充填された場合の光経路とを比較する比較図である。 本発明の他の実施形態の集光部による太陽電池モジュールの断面図である。 本発明のさらに他の実施形態のフラットレンズで実現される集光部による太陽電池モジュールの断面図である。 本発明のさらに他の実施形態のフラットレンズで実現される集光部による太陽電池モジュールの断面図である。 本発明のさらに他の実施形態の集光部による太陽電池モジュールの断面図である。 本発明のさらに他の実施形態の集光部による太陽電池モジュールの平面図である。 本発明のさらに他の実施形態の集光部による太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の他の実施形態の反射部による太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の他の実施形態の反射部による太陽電池モジュールの斜視図である。 本発明の変形実施形態による太陽電池モジュールの断面図である。

以下、添付図面を参照して本明細書に開示された実施形態を詳細に説明するが、図面の番号に関係なく同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。以下の説明で用いられる構成要素の接尾辞である「モジュール」及び「部」は、明細書の作成を容易にするために付与又は混用されるものであり、それ自体が有意性や有用性を有するものではない。また、本明細書に開示された実施形態を説明するにあたって、関連する公知技術についての具体的な説明が本明細書に開示された実施形態の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。なお、添付図面は本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本明細書に開示された技術的思想が制限されるものと解釈されてはならないことに留意すべきである。

さらに、層、領域、基板などの要素が他の構成要素「上」に存在するという表現は、他の構成要素の直上に存在する場合と、それらの間に中間要素が存在する場合とを含む。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態による太陽電池モジュールについて詳細に説明する。しかし、本明細書に開示された実施形態による構成が太陽光を利用して電流を生産する装置であれば今後開発される新しい製品形態にも適用可能であることは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。

図１は本発明の一実施形態による太陽電池モジュールの概念図である。

同図に示すように、本発明の一実施形態による太陽電池モジュールは、太陽電池１１０、集光部１２０及び反射部１３０を含む。

太陽電池１１０は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部と、光電変換部に電気的に接続される電極とを含む。本実施形態においては、一例として、半導体基板（例えば、シリコンウエハ）又は半導体層（例えば、シリコン層）を含む光電変換部が適用される。

このような太陽電池１１０は、リボンを含み、リボンにより直列、並列又は直並列に電気的に接続されるようにしてもよい。より具体的には、隣接する第１及び第２太陽電池１１１、１１２の電極がリボンにより電気的に接続されるようにしてもよい。

図示のように、集光部１２０は、太陽電池１１０の前面上に配置されて太陽光が入射する前面基板にしてもよい。この場合、集光部１２０は、太陽電池１１０から離隔した位置で太陽電池１１０を覆うように配置され、太陽光の反射を防止して太陽光の透過率を高める構造を有する光学シートとして実現するようにしてもよい。光学シートは、厚さが１０ｍｍ以下に設定されるようにしてもよい。また、集光部１２０は、太陽光を集光して太陽電池モジュールの内部にガイドする光学的機能を果たすように形成される。さらに、集光部１２０は、光学的機能に加え、外部の衝撃などから太陽電池１１０を保護する機能を果たす前面基板にしてもよい。

反射部１３０は、太陽電池１１０の背面を支持する背面シートとして実現するようにしてもよい。背面シートは、太陽電池１１０の背面で太陽電池１１０を保護する層であって、防水、絶縁及び紫外線遮断の機能を果たす。背面シートは、フィルムやシートなどの形態で構成されてもよい。ここで、反射部１３０は、集光部１２０で集光されて入射した太陽光を反射して再利用させることができるように、反射率に優れた材質又は構造からなる。

集光部１２０は、反射部１３０で反射した太陽光を再反射することにより、太陽電池モジュールに入射した光を太陽電池モジュールの内部に閉じ込める機能（又は全反射する機能）を果たす。このように、本発明においては、集光部１２０と反射部１３０との組み合わせにより太陽電池１１０の発電効率を向上させる。以下、このような機能を果たす集光部１２０及び反射部１３０の詳細な構造について、図１に加えて図２及び図３を参照してより詳細に説明する。

図２は図１の集光部の平面図であり、図３Ａ及び図３Ｂは図２のＡ部分及びＢ部分の断面図であり、図３Ｃは太陽電池モジュールの内部にエアギャップが存在する場合の光経路と太陽電池モジュールの内部に媒質が充填された場合の光経路とを比較する比較図である。

まず、集光部１２０は、同図に示すように、太陽光が入射する平面１２１を備え、太陽電池１１０から離隔した位置に配置され、入射した太陽光を集光して出射するように形成される。

集光部１２０、とりわけ平面１２１は太陽電池モジュールの外面を形成する。太陽電池モジュールの外面が平面１２１であるので、太陽光が入射する入射面が塵埃などにより汚染されることが緩和される。

また、集光部１２０は、反射領域１２２が形成されており、反射部１３０で反射した太陽光を再反射する。このような構造により、集光部１２０で集光された太陽光が集光部１２０と反射部１３０間に閉じ込められる。

より具体的には、集光部１２０の反射領域１２２と反射部１３０とが対向して配置され、それにより、太陽電池モジュールの内部に全反射構造が実現される。この場合、集光部１２０は、複数のレンズ１２３を備え、反射領域１２２が複数のレンズ１２３の少なくとも一部を覆うように形成されて太陽光を集光し、反射部１３０で反射した太陽光を再反射する。例えば、複数のレンズ１２３は、平面１２１の反対側に配置され、太陽電池１１０に向かって膨らんだ形状に形成されるようにしてもよい。例えば、集光部１２０は、ベース部材１２４を備え、ベース部材１２４から複数のレンズ１２３が突設されるようにしてもよい。

ベース部材１２４は、光透過性材質の板状シートであって、ガラス、ＰＣ（polycarbonate）、ＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）、シリコンなどのポリマーなどの材質で形成されるようにしてもよい。また、太陽光の反射を防止して太陽光の透過率を高めるために、ベース部材１２４として、鉄分の含有量が少ない低鉄分強化ガラスを用いてもよい。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、ベース部材１２４が他の物質などからなるようにしてもよい。

レンズ１２３は、ベース部材１２４の下部に形成されるレンズ形状を有するようにしてもよい。すなわち、レンズ１２３は、ベース部材１２４と同一材質で一体化するようにしてもよい。ただし、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、レンズは、ベース部材１２４の下面に取り付けられるレンズ形状の部材からなるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、レンズ１２３と太陽電池１１０が多数対１の割合で備えられる。ただし、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、レンズと太陽電池が１対１の割合で備えられるようにしてもよい。

レンズ１２３は、凸レンズで構成され、凸レンズの背面（太陽電池セルに隣接する部分）にミラーコーティングが施されていて反射領域１２２を形成するようにしてもよい。他の例として、反射領域１２２は、反射シートや反射フィルムがレンズ１２３に貼り付けられて形成されるようにしてもよい。

反射領域１２２は、凸レンズの膨らんだ形状に対応するように形成され、太陽光が入射する方向に幅が次第に狭くなる窪んだ形状を有する。この場合、凸レンズの厚さ及び面積は、焦点距離に基づいて設定されるようにしてもよい。このような構造によれば、入射した太陽光が反射領域１２２で反射して凸レンズの下端部に向かって集束することになる。また、凸レンズの側面にはミラーコーティングが施され、凸レンズの下端部にはミラーコーティングが施されていない部分が生じるようにしてもよい。このような構造は、レンズ１２３の外面にミラーコーティングを施す際に、端部の一部分を除いてミラーコーティングを施すことにより実現してもよい。それにより、反射領域１２２には、入射した太陽光がレンズ１２３を透過して出射するように複数の開口が形成される。

図示によれば、開口は、ミラーコーティングが施された部分において太陽光が通過する隙間を形成するので、スリットにしてもよい。すなわち、反射領域１２２には、入射した太陽光を通過させるスリット１２５が形成される。

スリット１２５は、反射領域１２２をコーティングする際に、当該部分をマスキングすることにより形成されるようにしてもよい。他の例として、反射領域１２２が反射シートや反射フィルムで形成された場合、スリット１２５は、反射シートや反射フィルムを所望の幅に穿孔することにより形成されるようにしてもよい。ここで、穿孔は、ナイフ又はレーザ加工により行ってもよい。この場合、凸レンズは、平行光をスリット１２５に集光するように形成されてもよい。その例として、レンズ１２３の絞りがスリット１２５に配置され、太陽光の焦点がスリット１２５に合うようにしてもよい。また、レンズ１２３のそれぞれは、スリット１２５のそれぞれに対向して配置されるようにしてもよい。すなわち、凸レンズとスリット１２５とが１対１に対応するようにしてもよい。このように、本例示においては、レンズにスリットを形成するので、角度に対する自由度が増大し、太陽電池を整列する必要がないという利点がある。

より具体的な例として、スリット１２５は反射領域１２２において隙間を形成し、スリット１２５から光が透過する。この場合、スリット１２５は、一方向に長く延び、一方向に垂直な他方向に順次配列される。よって、レンズ１２３は、一方向に長く延び、他方向に順次配列される。ここで、レンズ１２３は、それぞれシリンドリカルレンズで構成されてもよい。また、一方向を東西方向にし、他方向を南北方向にしてもよい。こうすることにより、スリット１２５は、時刻に応じた太陽の位置に関係なく常に太陽に向かうことになる。より具体的には、このような構造によれば、太陽の子午線高度の変化に関係なく太陽光を集光することができる。これは、春や秋に太陽光が垂直に入射するように太陽電池モジュールを設置した場合、夏や冬には太陽光が傾斜した方向に入射するが、反射領域１２２で太陽光が反射してレンズ１２３の下端部に向かって集束するからである。

この場合、ベース部材１２４及びレンズ１２３の１つ以上は、ＧＲＩＮ（gradient index）光学材質で形成されてもよい。ＧＲＩＮ光学材質は、屈折率が徐々に変化する材質であって、太陽光が入射方向に進むにつれて屈折率が放物線勾配を有するようにする。このような構造によれば、太陽光が集光部１２０の厚さ方向に進んでより容易にスリット１２５に集光されることになる。

一方、スリット１２５の大きさは、レンズ１２３の直径の６０％以下に設定されてもよい。例えば、スリット１２５の大きさは、レンズ１２３の直径の０．１％〜６０％である。より具体的には、スリット１２５の幅がレンズ１２３の直径の０．１％未満では製作が非常に難しく、スリット１２５の幅がレンズ１２３の直径の５％を超えると集光効率が著しく低下する。従って、スリット１２５の幅は、レンズ１２３の直径の０．１％〜５％にする。よって、スリット１２５の面積は、集光部１２０の平面１２１の面積の５％以下に設定されてもよい。例えば、スリット１２５の総面積は、集光部１２０の平面１２１の面積の０．１％〜５％である。このような構造によれば、スリット１２５の面積や大きさをさらに大きくしなくても、集光効率が十分に確保される。

また、レンズ１２３において、スリット１２５に対応する部分には、集光部１２０の平面１２１に向かって窪んだ溝１２６が形成されてもよい。溝１２６は、整列マークを用いてレンズ１２３の光軸とスリット１２５の中心を一致させて形成してもよい。

溝１２６は、スリット１２５の少なくとも一部に形成されてもよく、また、底面が曲面に形成されてもよい。さらに、溝１２６は、スリット１２５と同様に、一方向に長く形成されてもよい。溝１２６により、スリット１２５に集束した光が太陽電池１１０に向かってより拡散することになる。

次に、反射部１３０は、同図に示すように、ベース基板１３１及び反射板１３２を備える。

ベース基板１３１は、太陽電池１１０を支持する基板であって、ガラス、ＰＣ、ＰＭＭＡなどの材質で形成されるようにしてもよい。他の例として、ベース基板１３１は、太陽電池１１０を保護する層であって、防水、絶縁及び紫外線遮断の機能を果たすように、ＴＰＴ（Tedlar/PET/Tedlar）タイプであってもよく、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）の少なくとも一面にＰＶＤＦ（polyvinylidene fluoride）樹脂などが形成された構造であってもよい。

反射板１３２は、ベース基板１３１の一面に貼り付けられる板状の反射シートであってもよく、ベース基板１３１の一面にコーティングされるコーティング膜であってもよい。ここで、ベース基板１３１の一面に複数の太陽電池１１０が取り付けられるが、反射板１３２は一面上に形成されるようにしてもよい。図示によれば、反射板１３２はベース基板１３１の上面全体に形成され、反射板１３２の上面に太陽電池１１０が配置される。このような構造によれば、反射板１３２が太陽電池１１０間を通過する光を反射する。ただし、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、ベース基板１３１の上面に複数の太陽電池が配置され、太陽電池間に反射板が配置される構造を適用することもできる。その詳細については、本発明のさらに他の実施形態による太陽電池及び反射板の構造を示す図７Ｂを参照して後述する。

ここで、反射板１３２は、複数の突起１３３を備えるようにしてもよい。複数の突起１３３により、反射板１３２にシワ構造又は凹凸構造が実現され、それにより、光がより広い範囲に反射することになる。

反射部１３０で反射した光は、常時、集光部１２０におけるスリット１２５を除く領域で再反射する。このような構造により、集光部１２０を透過した光は、集光部１２０と反射部１３０間に閉じ込められる。すなわち、集光部１２０を透過した光は、太陽電池モジュールの内部で再循環（リサイクル）されて太陽電池セルに吸収される。

この場合、集光部１２０と反射部１３０間にはエアギャップ１４０が形成される。エアギャップ１４０は、充填材のない空間として形成されるようにしてもよい。ここで、空間には、エアのみ存在するようにしてもよく、Ａｒなどの不活性気体を充填してもよく、エアと不活性気体を混合して充填してもよい。太陽電池モジュールは空間に樹脂などが充填される構造が一般的であるが、本例示においては、前述した構造の集光部１２０と反射部１３０間にエアや不活性気体が存在する空間が形成されるので、屈折率差により光が漏れることを緩和又は防止することができる。エアの屈折率は約１であり、集光部１２０の屈折率はそれより高い値（例えば、１．３〜１．５）に設定されることにより、スリット１２５から光が出射することを緩和又は防止することができる。

また、集光部１２０で集光された光がエアに進むので、集光部１２０で太陽電池１１０に向かって屈折する光の角度が、空間にエアよりも屈折率の高い媒質が充填された場合より大きくなる。よって、光が太陽電池１１０に集光される効果がより発揮される。

一方、空間にエアが存在することにより、太陽電池１１０に入射する光の損失を低減することができる。ただし、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、空間に不活性気体が充填されて不活性気体が存在するようにしてもよい。図３Ｃの（ａ）を参照すると、太陽電池モジュールの内部にエアギャップ１４０が存在する場合、屈折率の低いエアから屈折率の高い反射防止膜に光が入射するので光の吸収が容易であることが分かる。

太陽電池１１０は、ガリウムヒ素太陽電池又はシリコン太陽電池であってもよく、また、外面に反射防止膜が形成された構造であってもよい。本例示においては、太陽電池１１０がガリウムヒ素太陽電池の場合を主な実施形態として説明する。

例えば、ガリウムヒ素太陽電池１１０は、ＧａＡｓ層１１０ａの外面に、ＧａＡｓよりは屈折率が低く、エアよりは屈折率が高い反射防止膜が形成された構造であってもよい。また、シリコン太陽電池は、Ｓｉ層の外面に反射防止膜が形成された構造であってもよい。ここで、反射防止膜は、例えばＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＡｌｘＯｙ、ＭｇＦ２、ＺｎＳなど、太陽電池において一般的に用いられる材料からなるようにしてもよい。また、反射防止膜は、単一層からなるようにしてもよく、太陽電池セル内の光吸収率をより高めるために複数層からなるようにしてもよい。反射防止膜が複数層からなる場合、反射防止膜は、ＺｎＳの第１層１１０ｂとＭｇＦ２の第２層１１０ｃとを備えるようにしてもよい。

図３Ｃは太陽電池モジュールを簡単に示すもの（電極は図示せず）であり、図３Ｃの（ａ）は太陽電池モジュールの内部にエアギャップが存在する場合を示し、図３Ｃの（ｂ）は太陽電池モジュールの内部に媒質が充填された場合を示す。

図３Ｃの（ａ）を参照すると、ＧａＡｓの屈折率が約３．４であり、ＺｎＳの屈折率が約２．３８であり、ＭｇＦ２の屈折率が約１．３８であり、ＭｇＦ２を覆うエアの屈折率が１であるので、光がエアギャップ１４０からＭｇＦ２の第２層１１０ｃ、ＺｎＳの第１層１１０ｂ及びＧａＡｓ層１１０ａに順次入射する際に、光の経路において屈折率が次第に高くなるので、光の損失が非常に少なくなる。

それに対し、図３Ｃの（ｂ）のように、太陽電池モジュールの内部にエアを代替して媒質が充填された場合は、ＭｇＦ２と媒質との屈折率差がほとんどないかマイナスとなる。この場合、太陽電池１１０の反射防止膜において表面損失が大きくなる。その例として、媒質がポリマー（Ｐ）の場合、ポリマー（Ｐ）の屈折率が約１．３〜１．５であるので、光がポリマー（Ｐ）からＭｇＦ２の第２層１１０ｃに入射する際に、ＭｇＦ２とポリマーとの屈折率差がほとんどないかマイナスとなる。よって、太陽電池１１０の表面での光の反射がさらに増加する。

シリコン太陽電池も同様に、太陽電池上に太陽電池よりも屈折率の低い物質（例えば、ＳｉＮｘ）が単一層又は複数層で構成される反射防止膜が形成され、太陽電池内に光がより多く吸収されるようにしてもよい。

一方、エアギャップ１４０の厚さは、太陽電池１１０の幅（Ｗ）の１／２以上となるようにしてもよい。より具体的には、太陽電池１１０又は反射板１３２とスリット１２５との距離（Ｈ）は、太陽電池の幅（Ｗ）の１／２以上となるようにしてもよい。こうすることにより、光を全反射する空間を十分に確保することができる。また、集光部１２０と反射部１３０との距離は、５０ｍｍ以下となるようにしてもよい。

また、集光部１２０の縁部及び反射部１３０の縁部には、エアギャップ１４０をシールするシール部材１５０が配置されてもよい。ここで、シール部材１５０には、高耐湿素材が適用された二重シール構造を適用してもよい。その例として、シール部材１５０は、外側に配置される第１部材１５１と内側に配置される第２部材１５２とを含むようにしてもよい。

第１部材１５１は、熱可塑性澱粉（TPS, Thermoplastic Starch）、シリコン、熱可塑性エラストマー（TPE, Thermoplastic Elastomer）などの材質で形成され、ベース基板１３１に取り付けられて集光部１２０を支持するように構成される。よって、第１部材１５１は、太陽電池モジュールの外側壁を形成する。

第２部材１５２は、ポリイソブチレン（PIB, Polyisobutylene）などのゴム材質に吸湿剤が混入された材質で形成されてもよい。第２部材１５２は、第１部材１５１と同様に、ベース基板１３１に取り付けられて集光部１２０を支持し、第１部材１５１の内側壁において第１部材１５１に密着するように構成される。この場合、反射部１３０の反射板１３２は、第２部材１５２の内側壁を覆うように、ベース基板１３１から集光部１２０に向かって延びる延長部１３２ａを有するようにしてもよい。

シール部材１５０は、ベース基板１３１又は反射板１３２に太陽電池セルが結合され、その後集光部１２０を含む前面基板が接合されることにより実現されるようにしてもよい。すなわち、ベース基板１３１にシール部材１５０が取り付けられ、その後シール部材１５０に別途製作された集光部１２０が接合され、それによりエアギャップが形成される。

前述した構造により、エアギャップを有し、かつ縁部に反射、シール及び吸湿構造を有する太陽電池モジュールが実現される。

このように、本発明の一実施形態による太陽電池モジュールにおいては、スリットを有するレンズを用いることにより、太陽光トラッキング装置を用いることなく集光を行えるようにする。また、集光部と反射部を用いて光を閉じ込める構造であるので、太陽電池セルの大きさ及び形状が自由になり、さらには、大きさや形状が異なるセルを共に使用することも可能になる。

一方、前述した実施形態の太陽電池モジュールから集光効率をさらに向上させる構造への変形も可能である。その例として、前述した溝１２６を有しない構造も可能である。以下、前述した溝１２６を有しない構造について図４を参照して説明する。

図４は本発明の他の実施形態の集光部による太陽電池モジュールの断面図である。

本実施形態の太陽電池モジュールは、図１〜図３を参照して前述した実施形態と同様に、太陽電池１１０、集光部１２０及び反射部１３０を含み、太陽電池１１０及び反射部１３０は前述した実施形態と同じ構造であるので、その説明を省略する。また、集光部１２０における太陽光が入射する平面１２１、複数のレンズ１２３、反射領域１２２及びスリット１２５の構造は前述した実施形態と同じ構造であるので、その説明を省略する。

図４に示すように、レンズ１２３において、スリット１２５に対応する部分には、太陽電池１１０に向かって突出する突起１２７が形成されてもよい。突起１２７は、スリット１２５の少なくとも一部に形成されてもよく、また、レンズ１２３の端部から突出し、太陽電池１１０に向かう方向に幅が次第に狭くなるように形成されてもよい。さらに、突起１２７は、スリット１２５と同様に、一方向に長く形成されてもよい。このような構造によれば、突起１２７により、スリット１２５に集束した光が太陽電池１１０に向かってより容易に拡散し、エアギャップ１４０からスリット１２５を介して外部に漏れる光が遮断されることになる。

一方、前述した実施形態の太陽電池モジュールにおいては、シリンダ状構造の凸レンズを有するが、他の形態への変形も可能である。以下、このようなさらに他の実施形態の集光部を有する太陽電池モジュールの構造について図５Ａ〜図７Ｂを参照して説明する。

図５Ａ〜図７Ｂは本発明のさらに他の実施形態の集光部による太陽電池モジュールを示す図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、集光部２２０は、入射面と出射面が平面であるフラットレンズからなるようにしてもよい。この場合、本実施形態の太陽電池モジュールは、前述した実施形態と同様に、太陽電池１１０、集光部２２０及び反射部１３０を含み、太陽電池１１０及び反射部１３０は前述した実施形態と同じ構造であるので、その説明を省略する。

本実施形態の集光部２２０は、太陽電池１１０から離隔した位置で太陽電池１１０を覆うように配置され、異種屈折率を有する複数の材質で形成される。

集光部２２０は、太陽光が入射する平面２２１を備え、太陽電池１１０から離隔した位置に配置され、入射した太陽光を集光して出射するように形成される。

集光部２２０、とりわけ平面２２１は太陽電池モジュールの外面を形成する。太陽電池モジュールの外面が平面２２１であるので、太陽光が入射する入射面が塵埃などにより汚染されることが緩和される。ここで、平面２２１は外側平面といえる。

また、集光部２２０は、平面２２１の反対面が平面２２７（以下、内側平面２２７という）であり、異種屈折率により集光されるフラットレンズで構成される。

一例として、図５Ａに示すように、異種屈折率の材質により形成される第１部分２２８ａと第２部分２２８ｂが集光部２２０の長手方向（厚さ方向に垂直な方向）に順次配置されてもよい。ここで、第１部分２２８ａと第２部分２２８ｂは所定の間隔で順次配置される。

第１部分２２８ａは高屈折率の部分であり、第２部分２２８ｂは低屈折率の部分であり、屈折率は１．２〜３．４の範囲で定められるようにしてもよい。つまり、低屈折率は１．２以上にし、高屈折率は３．４以下にしてもよい。

集光部２２０の内側平面２２７には、反射領域２２２が形成されてもよい。すなわち、平板状のベース部材２２４が光を集光するレンズとして構成され、反射領域２２２がベース部材２２４の内側平面２２７の少なくとも一部を覆うように形成されて太陽光を集光し、反射部１３０で反射した太陽光を再反射する。

反射領域２２２は、ベース部材２２４の下面に貼り付けられる反射シートであってもよく、内側平面２２７にミラーコーティングされるコーティング膜であってもよい。反射シートは、ポリエチレンテレフタレート反射シートであるＭＣＰＥＴを用いて作製してもよい。

この場合、反射領域２２２が複数の領域に区画され、各領域間に隙間が生じるようにしてもよい。また、隙間により、反射領域２２２に複数のスリット２２５が形成されるようにしてもよい。この場合、スリット２２５は、一方向に長く延び、一方向に垂直な他方向に順次配列される。第１部分２２８ａと第２部分２２８ｂは、他方向に順次配列され、それにより太陽光がスリット２２５に向けて集光されることになる。ここで、一方向を東西方向にし、他方向を南北方向にしてもよい。こうすることにより、スリット２２５は、時刻に応じた太陽の位置に関係なく常に太陽に向かうことになる。

他の例として、図５Ｂに示すように、異種屈折率の材質により形成される第１部分３２８ａと第２部分３２８ｂが集光部３２０の厚さ方向に順次配置されてもよい。

第１部分３２８ａは高屈折率の部分であって上側に配置され、第２部分３２８ｂは低屈折率の部分であって下側に配置されるようにしてもよい。図５Ａの実施形態と同様に、第１部分３２８ａと第２部分３２８ｂの屈折率は、１．２〜３．４の範囲で定められるようにしてもよい。

ここで、第１部分３２８ａは、複数の凸レンズを備え、太陽光の集束のためにＧＲＩＮ光学材質で形成されるようにしてもよい。例えば、第１部分３２８ａは、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明した実施形態と同様に、上面は平面からなり、下面は膨らんだ面からなるように形成されてもよい。

第２部分３２８ｂは、凸レンズを覆って凸レンズ間を埋めるように形成される。このような構造によれば、第２部分３２８ｂが内側平面３２７を形成する。内側平面３２７には反射領域３２２が形成され、反射領域３２２における複数の凸レンズに対応する位置にはスリット３２５が形成されるようにしてもよい。

前述した構造においては、集光部３２０がフラットレンズで実現されてもよいが、本発明がこれに限定されるものではない。以下、さらに他の実施形態の集光部について図６を参照して説明する。

さらに他の例として、図６に示すように、集光部４２０は、魚眼レンズ４２３を備えてもよい。魚眼レンズ４２３は、一方向に長く延び、一方向に垂直な他方向に順次配列され、シリンダ状構造となるようにしてもよい。

魚眼レンズ４２３の下側には、スリットを備えた反射シート４２２が配置される。この場合、反射シート４２２が前述した反射領域として備えられるようにしてもよい。ここで、魚眼レンズ４２３は、スリットに光を集光するように構成される。こうすることにより、魚眼レンズ４２３と反射シート４２２が集光部の機能を果たすことになる。

さらに他の例として、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、集光部５２０は、太陽電池１１０から離隔した位置で太陽電池１１０を覆うように配置され、貫通孔５２５、反射領域５２２及びレンズ５２３を備えてもよい。

レンズ５２３は、ベース部材５２４の下面から突出する複数の単位レンズ５２３ａを有し、単位レンズ５２３ａは、隣接する単位レンズ５２３ｂと重なるように形成されてもよい。単位レンズ５２３ａは、凸レンズからなり、太陽光を単位レンズ５２３ａの中心に集光するように、凸面に反射領域５２２が形成される。

反射領域５２２において、それぞれの単位レンズ５２３ａの中心に対応する位置には、貫通孔５２５が形成される。この場合、貫通孔５２５から光が透過する。また、集光部５２０を透過して太陽電池モジュールの内部に入射した光は貫通孔５２５からのみ外部に反射するので、太陽電池モジュールの内部はほぼ全反射が可能な構造となる。

このように、本発明においては、スリット又は貫通孔（開口）を用いて集光を行うので、太陽電池モジュールをよりコンパクト又はスリムに製造することができる。

一方、反射部５３０は、太陽電池１１０間に配置される反射板５３２を備える構造であってもよい。ただし、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、反射板の上面に太陽電池が配置される構造も可能である。図示によれば、ベース基板５３１の上面に太陽電池１１０と共に反射板５３２が配置される。この場合、反射板５３２は、太陽電池１１０間の空間を実質的に埋めるように形成されてもよい。反射板１３２は、板状の反射シートであってもよく、ベース基板５３１にコーティングされるコーティング膜であってもよい。

このような構造によれば、太陽電池１１０及び反射板５３２は、同一平面上に配置され、ベース基板５３１を覆うように形成される。

このように、本発明の反射部は、様々な形態に変形することができる。さらなる例として、図８Ａ及び図８Ｂは本発明の他の実施形態の反射部による太陽電池モジュールの断面図及び斜視図である。

同図に示すように、反射部６３０は、太陽電池６１０の背面を支持する背面シートとして実現するようにしてもよい。背面シートは、太陽電池６１０の背面で太陽電池６１０を保護する層であって、防水、絶縁及び紫外線遮断の機能を果たす。背面シートは、フィルムやシートなどの形態で構成されてもよい。ここで、反射部６３０は、集光部６２０で集光されて入射した太陽光を反射して再利用させることができるように、反射率に優れた材質又は構造からなる。

この場合、太陽電池モジュールは、前述した実施形態と同様に、太陽電池６１０、集光部６２０及び反射部６３０を含み、集光部６２０は前述した図１〜図７Ｂの実施形態のいずれかと同じ構造であるので、その説明を省略する。

本実施形態の太陽電池６１０は、上下両面で太陽光を吸収して発電する両面受光型太陽電池（bifacial solar cell）からなるようにしてもよい。また、太陽電池６１０は、第２反射板６３２ｂに平行に配置され、上面が集光部６２０に対向し、下面が第１反射板６３２ａに対向するように配置されてもよい。

一方、反射部６３０は、ベース基板６３１、第１反射板６３２ａ及び第２反射板６３２ｂを備えるようにしてもよい。

ベース基板６３１は、太陽電池モジュールを支持する基板であって、ガラス、ＰＣ、ＰＭＭＡなどの材質で形成されるようにしてもよい。他の例として、ベース基板６３１は、太陽電池モジュールを保護する層であって、防水、絶縁及び紫外線遮断の機能を果たすように、ＴＰＴタイプであってもよく、ＰＥＴの少なくとも一面にＰＶＤＦ樹脂などが形成された構造であってもよい。

第１反射板６３２ａは、ベース基板６３１の上面に貼り付けられる板状の反射シートであってもよく、上面にコーティングされるコーティング膜であってもよい。

第２反射板６３２ｂは、太陽電池６１０と共にベース基板６３１と集光部６２０間に配置される。ここで、第２反射板６３２ｂは、太陽電池６１０間に配置されて太陽電池６１０間を埋めることにより、太陽電池６１０間を通過する光を反射する。また、第２反射板６３２ｂは、複数の突起６３３を備えるようにしてもよい。複数の突起６３３により、第２反射板６３２ｂにシワ構造又は凹凸構造が実現され、それにより、光がより広い範囲に反射することになる。

一方、第２反射板６３２ｂと太陽電池６１０を支持するための支持部材６３５が太陽電池モジュールの内部に備えられるようにしてもよい。支持部材６３５は、梯子状の据置用枠組であって、ベース基板６３１に取り付けられ、少なくとも一部が集光部６２０に向かって突出し、突出した部分に太陽電池６１０が載置されるようにしてもよい。

また、支持部材６３５は、光透過性材質で形成され、光が透過して太陽電池６１０の背面に入射することが可能な構造にしてもよい。ここで、支持部材６３５の内部はエアが存在する空間からなり、それにより、太陽電池６１０の背面への入射が容易になる。

このような構造によれば、光が太陽電池６１０の上側と下側の両方に閉じ込められるので、太陽電池６１０の発電量をより増加させることができる。

一方、本発明による太陽電池モジュールは、様々な形態に変形することができる。以下、図２の実施形態に変形を加えた変形実施形態について説明する。ただし、本変形実施形態に加えられた変形は、図２の実施形態にのみ適用されるものではなく、図４〜図８の実施形態にも適用可能である。

図９は本発明の変形実施形態による太陽電池モジュールの断面図である。

本変形実施形態において、太陽電池モジュールは、前述した実施形態と同様に、太陽電池１１０、集光部１２０及び反射部１３０を含み、これらは図１〜図８を参照して説明した実施形態のいずれかの構造であるので、その説明を省略する。

同図に示すように、集光部１２０と反射部１３０間には、エアギャップの空間を維持するようにスペーサ１９１が配置されてもよい。スペーサ１９１は、反射部１３０に取り付けられて集光部１２０を支持するように構成される。より具体的には、スペーサ１９１は、反射部１３０のベース基板１３１又は反射板１３２に取り付けられ、太陽電池モジュールの厚さ方向に突出して集光部１２０を支持する。

本発明は、複数のレンズ及びスリットが１つの太陽電池に光を集光する構造であるので、集光部１２０が広い平板で形成されるようにしてもよい。よって、スペーサ１９１が広い平板を支持して剛性を補強する。

また、剛性補強のために、ベース基板１３１の下面に補強部材１９２が取り付けられるようにしてもよい。補強部材１９２は、板状部材であってベース基板１３１の一部分に取り付けられ、ベース基板１３１の下面に面接触して剛性を補強する。

さらに、反射部１３０には、赤外線の波長を可視光線の波長に変換する波長変換物質１９３が塗布されるようにしてもよい。波長変換物質１９３は、例えばランタン系物質であって、ｅｒ３＋、ｙｂ３＋を用いて合成された蛍光体であってもよい。

太陽光には赤外線が含まれるが、太陽電池は可視光線を発電に用いるので、赤外線を可視光線に変換することにより太陽電池の発電量を増加させることができる。この場合、波長変換物質１９３により光が散乱して光経路がランダムに変化することがあり得るが、本実施形態の構造では、太陽電池モジュールの内部で光が再循環（リサイクル）されるので、それによる発電効率の低下が生じなくなる。

また、レンズ１２３間に形成されるギャップの少なくとも一部を埋めるように、レンズ１２３間に充填部材１９４が配置されてもよい。充填部材１９４は、集光部１２０とは異なる屈折率を有する材質で形成されてもよい。充填部材１９４は、レンズ１２３間の死空間をなくすために備えられ、反射領域１２２の少なくとも一部を覆う。さらに、複数のスリットに光透過性材質１９５が充填されるようにしてもよい。こうすることにより、屈折率を調整することができる。

前述した太陽電池モジュールは、上記実施形態の構成や方法に限定されるものではなく、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することで様々に変形することができる。

本発明は、本発明の思想や必須の特徴から逸脱しない範囲で他の特定の形態に具体化できることは当業者にとって自明である。よって、本発明の詳細な説明は例示的なものであり、あらゆる面で制限的に解釈されてはならない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の合理的解釈により定められるべきであり、本発明の等価的範囲内での全ての変更が本発明の範囲に含まれる。

１１０、６１０ 太陽電池
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０ 集光部
１２１、２２１ 平面
１２２、２２２、３２２、５２２ 反射領域
１２３、４２３、５２３ レンズ
１２５、２２５、３２５ スリット
１２６ 溝
１３０、５３０、６３０ 反射部
１３１、５３１、６３１ ベース基板
１３２、５３２ 反射板
１３３、６３３ 突起
１４０ エアギャップ
１５０ シール部材
１９１ スペーサ
１９３ 波長変換物質
１９４ 充填部材
１９５ 光透過性材質
４２２ 反射シート
５２５ 貫通孔
６３２ａ 第１反射板
６３２ｂ 第２反射板

Claims (16)

1. 複数の太陽電池と、
   入射する太陽光を受光する平面を形成する第１側、及び前記複数の太陽電池の方向に対向して備えられて前記第１側とは逆方向となる第２側を含み、前記複数の太陽電池から離隔した位置に配置され、前記入射する太陽光を集光して前記第２側から出射するように構成される集光部と、
   前記集光部の第２側から離隔した位置に配置され、入射した光を前記複数の太陽電池間に規定される空間を経て前記集光部の第２側に反射するように前記集光部の第２側に対向して形成される反射部と、を含み、
   前記集光部の第２側には、前記反射部及び前記複数の太陽電池に対向し、前記集光部により集光されて前記集光部の第２側から出射した太陽光の少なくとも一部を前記集光部と前記反射部間に規定されるエアギャップに閉じ込める反射領域が形成され、
   前記集光部は、前記集光部の第２側に配置され、それぞれが前記複数の太陽電池に向かって膨らんだ形状に形成される複数のレンズを備え、
   前記複数のレンズが互いに隣接して配列され、前記複数のレンズのうち隣接するレンズ間に充填部材が配置されて前記複数のレンズのうち隣接するレンズ間に形成されたギャップの少なくとも一部を埋めることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記集光部の第２側の反射領域は、
   前記複数のレンズの少なくとも一部を覆うように形成され、
   前記集光部の第１側に入射した太陽光を集光し、前記集光された太陽光を前記集光部の第２側から出射し、
   前記反射部で反射して前記集光部の第２側に入射した光を再反射する、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記集光部の第２側の反射領域には、前記集光された太陽光が前記複数のレンズを透過して出射するように複数のスリットが形成される、請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記集光部の反射領域上の複数のスリットの総面積は、前記集光部の平面の面積の０．１％〜５％である、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記集光部の複数のレンズは、前記集光部の第２側の反射領域上の複数のスリットにそれぞれ対応し、前記各レンズには、前記各スリットから前記集光部の第１側の平面に向かって窪んだ溝が形成される、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記集光部の反射領域上の複数のスリットには、光透過性材質が充填される、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記集光部の複数のレンズは、第１方向に長く延び、前記第１方向に垂直な第２方向に順次配列される、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
8. 前記集光部は、異種屈折率を有する複数の材質を含む、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
9. 前記集光部の第２側から離隔した位置に配置される前記反射部は、
   ベース基板と、
   前記ベース基板を覆うように配置される少なくとも１つの反射板と、を含む、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
10. 前記複数の太陽電池が前記ベース基板の第１面に取り付けられ、前記少なくとも１つの反射板が前記ベース基板の第１面上に形成される、請求項９に記載の太陽電池モジュール。
11. 前記少なくとも１つの反射板は、
    前記ベース基板に配置される複数の第１反射板と、
    前記ベース基板と前記集光部間に前記複数の太陽電池と共に配置される複数の第２反射板と、を含む、請求項９に記載の太陽電池モジュール。
12. 前記少なくとも１つの反射板は、それぞれ複数の突起を備える、請求項９に記載の太陽電池モジュール。
13. 前記集光部と前記反射部間に規定されるエアギャップは、充填材のない空間として形成される、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
14. 前記集光部と前記反射部間に配置され、前記集光部と前記反射部間の空間を維持するように形成されるスペーサをさらに含む、請求項１３に記載の太陽電池モジュール。
15. 前記集光部の縁部及び前記反射部の縁部に沿って配置され、前記集光部と前記反射部間に規定されるエアギャップをシールするシール部材をさらに含む、請求項１３に記載の太陽電池モジュール。
16. 前記反射部には、赤外線の波長を可視光線の波長に変換する波長変換物質が塗布される、請求項１に記載の太陽電池モジュール。

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