WO2013176026A1 - 太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置 - Google Patents

太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置 Download PDF

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WO2013176026A1
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solar cell
light
solar
light guide
cell module
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PCT/JP2013/063622
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誠二 大橋
内田　秀樹
前田　強
修 川崎
英臣 由井
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シャープ株式会社
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell module and a solar power generation device.
  • a solar cell module described in Patent Document 1 is known as a solar cell module in which a solar cell element is installed on an end face of a light guide and light propagating through the light guide is incident on a solar cell to generate power. ing.
  • the phosphor is caused to emit light by sunlight incident on the inside of the light guide, and is condensed on the solar cells installed on the end face of the light guide.
  • Patent Document 2 As a method of electrically connecting a plurality of solar cells, a method described in Patent Document 2 is known.
  • the interconnector wiring is used to connect the collector electrode on the light receiving surface side of one solar cell and the collector electrode on the back surface side of the adjacent solar cell.
  • an interconnector wiring material for example, an alloy as described in Patent Document 3 is used.
  • the interconnector wiring is bent from the light receiving surface side of one solar battery cell to the back surface side of the adjacent solar battery cell. Since the connector wiring cannot be bent at right angles along the end portion of the solar battery cell, a gap is formed between adjacent solar battery cells by the length of the bent portion. For this reason, solar cells cannot be arranged at high density on the end face of the light guide, and efficient power generation cannot be performed.
  • An object of the present invention is to provide a solar cell module and a solar power generation device that can efficiently generate power.
  • the solar cell module of the present invention includes a light guide having a light incident surface and a light emitting surface having a smaller area than the light incident surface, and a solar cell that receives light emitted from the light emitting surface of the light guide.
  • the solar cell element includes a plurality of solar cells arranged adjacent to each other, and one solar cell and the adjacent solar cell are formed by laminating a conductive layer on an insulating film. They are electrically connected to each other through a flexible substrate.
  • the solar cell includes a semiconductor substrate, a first current collecting electrode formed on one surface side of the semiconductor substrate, and a second current collecting electrode formed on the other surface side of the semiconductor substrate, and the flexible cell
  • One end side of the substrate is connected to the first current collecting electrode of one solar cell, and the other end side of the flexible substrate is bent along the end surface of the one solar cell, You may be connected with the 2nd current collection electrode.
  • a reflective layer that reflects light emitted from the light exit surface may be provided on a surface of the flexible substrate that faces the light exit surface of the light guide.
  • the portion of the flexible substrate connected to the first current collecting electrode may be disposed at a position that does not overlap the light emitting surface when viewed from the normal direction of the light emitting surface of the light guide.
  • the flexible substrate, the first collector electrode, and the second collector electrode may be connected using a conductive film in which conductive particles are dispersed in a resin.
  • the solar power generation device of the present invention includes the solar cell module of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the solar cell module 1 of the first embodiment.
  • the solar cell module 1 includes a light guide 4 (fluorescent light guide), a solar cell element 6 that receives light emitted from the first end face 4 c of the light guide 4, and the light guide 4 and the solar cell element 6. And a frame 10 that holds the two integrally.
  • a light guide 4 fluorescent light guide
  • a solar cell element 6 that receives light emitted from the first end face 4 c of the light guide 4, and the light guide 4 and the solar cell element 6.
  • a frame 10 that holds the two integrally.
  • the light guide 4 includes a first main surface 4a that is a light incident surface, a second main surface 4b that faces the first main surface 4a, and a first end surface 4c that is a light emission surface.
  • the light guide 4 is a substantially rectangular plate-like member having a first main surface 4a and a second main surface 4b perpendicular to the Z axis (parallel to the XY plane).
  • the light guide 4 is obtained by dispersing an optical functional material in a base material (transparent substrate) made of a highly transparent organic material or inorganic material such as acrylic resin, polycarbonate resin, or glass.
  • the optical functional material include a phosphor that absorbs ultraviolet light or visible light and emits visible light or infrared light. The light emitted from the phosphor propagates through the light guide 4 and is emitted from the first end face 4 c and is used for power generation by the solar cell element 6.
  • visible light is light in a wavelength region of 380 nm to 750 nm
  • ultraviolet light is light in a wavelength region less than 380 nm
  • infrared light is light in a wavelength region larger than 750 nm.
  • the first main surface 4a and the second main surface 4b of the light guide 4 are flat surfaces substantially parallel to the XY plane. Light that travels from the inside of the light guide 4 toward the outside of the light guide 4 (light radiated from the phosphor) is transmitted to the inside of the light guide 4 on the end faces other than the first end face 4 c of the light guide 4.
  • a reflective layer 9 that reflects toward the surface is provided in direct contact with the end surface via an air layer or without an air layer.
  • Light traveling from the inside of the light guide 4 toward the outside of the light guide 4 (light emitted from the phosphor) or the first main surface 4a is incident on the second main surface 4b of the light guide 4 Is reflected by the second main surface 4b via the air layer or the second main surface 4b.
  • the reflection layer 7 reflects the light emitted from the second main surface 4b without being absorbed by the optical functional material toward the inside of the light guide 4.
  • the surface 4b is provided in direct contact with no air layer.
  • a reflective layer made of a metal film such as silver or aluminum, or a reflective layer made of a dielectric multilayer film such as an ESR (Enhanced Specular Reflector) reflective film (manufactured by 3M) is used. Can do.
  • the reflective layer 7 and the reflective layer 9 may be a specular reflective layer that specularly reflects incident light, or a scattering reflective layer that scatters and reflects incident light.
  • a scattering reflection layer is used for the reflection layer 7, the amount of light that goes directly in the direction of the solar cell element 6 increases, so that the light collection efficiency to the solar cell element 6 increases and the amount of power generation increases. In addition, since the reflected light is scattered, changes in the amount of power generation with time and season are averaged.
  • micro-fired PET polyethylene terephthalate
  • Furukawa Electric can be used as the scattering reflection layer.
  • the solar cell element 6 is disposed with the light receiving surface facing the first end surface 4 c of the light guide 4.
  • the solar cell element 6 is preferably optically bonded to the first end face 4c.
  • a known solar cell such as a silicon solar cell, a compound solar cell, or an organic solar cell can be used.
  • a compound solar cell using a compound semiconductor is suitable as the solar cell element 6 because it can generate power with high efficiency.
  • the solar cell element 6 may be installed on a plurality of end faces of the light guide 4.
  • the reflective layer 9 may be installed on the end surface where the solar cell element is not installed. preferable.
  • the frame 10 includes a transmission surface 10 a that transmits the light L on a surface facing the first main surface 4 a of the light guide 4.
  • the transmission surface 10a may be an opening of the frame 10, or may be a transparent member such as glass fitted in the opening of the frame 10.
  • the first main surface 4 a of the light guide 4 that overlaps the transmission surface 10 a of the frame 10 when viewed from the Z direction is the light incident surface of the light guide 4.
  • the first end surface 4 c of the light guide 4 is a light exit surface of the light guide 4.
  • the light guide 4 absorbs a part of the external light incident from the light incident surface by the optical functional material, and condenses the light emitted from the optical functional material on the light exit surface having a smaller area than the light incident surface. Inject outside.
  • FIG. 2 is a partial perspective view of the solar cell element 6.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the solar cell element 6.
  • the solar cell element 6 includes a plurality of solar cells 5 arranged adjacent to each other along the first end surface 4c of the light guide 4 and a plurality of flexible substrates (in which the adjacent solar cells 5 are connected in series) Flexible printed circuits; FPC) 11.
  • the solar battery cell 5 includes a semiconductor substrate 21, finger electrodes 25 and bus bar electrodes 24 formed on one surface side of the semiconductor substrate 21, and a back electrode 23 formed on the other surface side of the semiconductor substrate 21. .
  • the semiconductor substrate 21 is a P-type semiconductor substrate having a rectangular shape, for example.
  • various known semiconductor substrates such as a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, and a gallium arsenide substrate can be used.
  • An N-type impurity layer 26 is formed on one surface side of the semiconductor substrate 21, and a PN junction is formed at the interface between the N-type impurity layer 26 and the P-type region of the semiconductor substrate 21.
  • a plurality of finger electrodes 25 are formed adjacent to each other along one side of the semiconductor substrate 21 on the surface of the N-type impurity layer 26.
  • a bus bar electrode 24 for connecting the plurality of finger electrodes 25 is formed on one end side of the plurality of finger electrodes 25.
  • the bus bar electrode 24 is formed in a stripe shape along the one side of the semiconductor substrate 21 so as to cross the plurality of finger electrodes 25.
  • a plurality of finger electrodes 25 and bus bar electrodes 24 form a first current collecting electrode 22.
  • a back electrode 23 as a second current collecting electrode is formed so as to cover the entire other surface of the semiconductor substrate 21.
  • the flexible substrate 11 is a flexible wiring substrate formed by laminating a conductive layer 18 on an insulating film 19.
  • a conductive layer 18 such as copper foil
  • an insulating film 19 such as polyimide
  • the insulating film 19 connected to the solar battery cell 5 is removed to expose the conductive layer 18. Is used.
  • the flexible substrate 11 includes a first electrode portion 12 connected to the bus bar electrode 24, a second electrode portion 13 connected to the back electrode 23, and a connection portion connecting the first electrode portion 12 and the second electrode portion 13. 17.
  • the flexible substrate 11 has a first electrode portion 12 on one end side connected to the bus bar electrode 24 of one solar cell 5, and a second electrode portion 13 and a connection portion 17 on the other end side connected to the one solar cell 5. And is connected to the back surface electrode 23 of the adjacent solar battery cell 5.
  • the connecting portion 17 is bent at a substantially right angle along the end face of the solar battery cell 5 so that a large gap is not generated between the solar battery cells 5.
  • the flexible substrate 11, the bus bar electrode 24, and the back electrode 23 are connected using conductive films 14 and 15.
  • the conductive films 14 and 15 are formed by dispersing fine conductive particles inside a resin and forming a film having a thickness of about 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • an anisotropic conductive film (Anisotropic Conductive Film; ACF) or the like can be used.
  • ACF isotropic Conductive Film
  • the conductive films 14 and 15 are not limited to those having conductivity only in the thickness direction, such as an anisotropic conductive film. It is also possible to use a material having conductivity in both the direction and the direction orthogonal thereto.
  • a reflective layer 16 that reflects light incident from the first end face 4c of the light guide 4 is provided.
  • absorption of light by the flexible substrate 11 can be suppressed, and light from the light guide 4 can be efficiently used for power generation.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the solar cell module 1.
  • a phosphor 8 that absorbs orange light and emits red fluorescence L1 is dispersed in the light guide 4 as an optical functional material.
  • the light guide 4 includes a transparent base material 3 that does not include a fluorescent material, and a fluorescent material 8 that is dispersed inside the base material 3.
  • the base material 3 is a transparent layer that does not contain a phosphor, but if the phosphor is not intentionally dispersed for the purpose of wavelength conversion inside the light guide 4, it contains some phosphor and is completely Even if it is made of a material that is not transparent, it can be used as the substrate 3.
  • the solar cell element 6 and the light guide 4 are bonded by a transparent adhesive 30.
  • the height of the solar battery cell 5 in the Z direction is substantially the same as the height of the light guide 4 in the Z direction.
  • the 1st electrode part 12 of the flexible substrate 11 is connected to the upper end part of the photovoltaic cell 5, and the reflective layer 16 is provided in the surface at the side of the light guide 4 of the 1st electrode part 12.
  • the light directed to the first electrode portion 12 is reflected by the reflective layer 16 and enters the first end face 4 c of the light guide 4. And it propagates the inside of the light guide 4, is inject
  • the reflective layer 16 a reflective layer made of a metal film such as silver or aluminum, or a reflective layer made of a dielectric multilayer film such as an ESR (Enhanced Specular Reflector) reflective film (manufactured by 3M) can be used.
  • the reflection layer 16 may be a specular reflection layer that specularly reflects incident light, or may be a scattering reflection layer that scatters and reflects incident light.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the shape and size of a solar cell element (solar cell and flexible substrate) to be calculated.
  • the planar shape of the solar battery cell is a rectangle having a width of 99 mm and a height of 5 mm, and the gap between the solar battery cells is 1 mm.
  • the bus bar electrode has a width of 1 mm, and a flexible substrate having a width of 1 mm is disposed at a position overlapping the bus bar electrode.
  • a reflective layer is provided on the surface of the portion of the flexible substrate that overlaps the bus bar electrode and the portion that is exposed in the gap between the solar cells.
  • the reflective layer having a width of 1 mm is installed in an L shape along two sides of the solar battery cell.
  • the light incident on the flexible substrate is absorbed or transmitted and does not return to the light guide.
  • the light incident on the reflective layer is reflected 100% to the light guide body, and the light returned to the light guide body takes into account absorption by the base material of the light guide body, self-absorption of the phosphor, and loss due to re-emission. 70% is incident on the solar battery cell.
  • a LUMogen®Red®305 (trade name) manufactured by BASF Co., Ltd. was dispersed inside a 5 mm thick PMMA substrate. The size of the light guide is 40 cm square.
  • the ratio of the light incident on the solar battery cell from the first end face of the light guide is expressed by the following formula (1).
  • ((4 ⁇ 99) / (100 ⁇ 5)) ⁇ 100 79.2%
  • “4 ⁇ 99” is the area of the exposed portion of the light receiving surface of the solar battery cell
  • “100 ⁇ 5” is the area of the gap between the solar battery cells.
  • the energy conversion efficiency of a photovoltaic cell is calculated
  • Energy conversion efficiency ((output voltage ⁇ output current) / solar energy) ⁇ 100 (3)
  • the energy conversion efficiency when the reflective layer is not installed on the flexible substrate is 10%
  • the ratio of the light scattered forward by the reflective layer was set to 20%.
  • Other conditions are the same as those described above.
  • “0.8” is the ratio of the light incident on the reflective layer that is backscattered and returned to the light guide.
  • one solar cell 5 and the adjacent solar cell 5 are electrically connected to each other via the flexible substrate 11. Therefore, the flexible substrate 11 can be bent at a substantially right angle along the end face of the solar battery cell 5, and the gap between the solar battery cells 5 can be reduced. Therefore, the plurality of solar cells 5 can be arranged at a high density on the first end face of the light guide 4, and efficient power generation is possible.
  • the reflective layer 16 is provided in the surface facing the 1st end surface 4c of the flexible substrate 11, the light which injected into the flexible substrate 11 is returned to the light guide 4. It can be reused and more efficient power generation becomes possible.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the solar cell module 2 of the second embodiment.
  • the difference from the first embodiment is that the portion (first electrode portion 12) connected to the bus bar electrode of the flexible substrate 11 is in the normal direction (Y direction) of the first end surface 4 c of the light guide 4. From the point of view, the first end face 4c is disposed at a position that does not overlap.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the solar cell module 32 of the third embodiment.
  • the shape and arrangement of the light guide 30 and the solar cell element 31 are different from those of the solar cell module 1 of the first embodiment. Therefore, here, the shape and arrangement of the light guide 30 and the solar cell element 31 will be described, and detailed description of the other configurations will be omitted.
  • the light guide 30 is configured as a curved plate-like member, and the solar cell element 31 emits light emitted from the curved first end surface 30c of the light guide 30 that is a light emission surface. It is configured to receive light.
  • the light guide 30 has, for example, a shape in which a plate-like member having a constant thickness is curved around an axis parallel to the Y axis.
  • the first main surface 30a and the second main surface 30b of the light guide 30 the first main surface 30a that is curved outwardly is a light incident surface on which external light (for example, sunlight) L is incident.
  • the light incident surface 30a of the light guide 30 is a curved surface. Therefore, even when the incident angle of the light L changes along the bending direction of the light guide 30 depending on the time zone such as daytime and evening, the amount of power generation does not change greatly.
  • a tracking device is provided so that the light receiving surface of the solar cell faces the incident direction of light, and the angle of the solar cell is controlled in two axial directions.
  • the light incident surface 30a of the light guide 30 is curved so as to face various directions as in the embodiment, there is no need to provide such a tracking device.
  • the light guide 30 has a shape curved in one direction, but the shape of the light guide 30 is not limited to this.
  • a dome shape such as a hemispherical shape or a bell shape may be used. In that case, no tracking device is required.
  • the light guide 30 can be installed on the wall or roof of a building formed in a curved shape.
  • the light guide 30 has a shape curved in one direction, but the shape of the light guide 30 is not limited to such a simple shape.
  • it can be designed into a free shape such as a tile shape or a wavy shape.
  • it may have not only a curved shape but also a bent shape having a ridgeline.
  • the curved surface or the bent surface may be provided on at least a part of the light incident surface, whereby the above-described effects can be obtained.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the solar cell module 35 of the fourth embodiment.
  • the shape and arrangement of the light guide 33 and the solar cell element 34 are different from those of the solar cell module 1 of the first embodiment. Therefore, here, the shape and arrangement of the light guide 33 and the solar cell element 34 will be described, and detailed description of the other components will be omitted.
  • the light guide 33 is configured as a cylindrical member having an axis parallel to the Y axis as a central axis, and the solar cell element 34 is a first end surface of the light guide 33 that is a light emission surface. It is configured to receive light emitted from 33c.
  • the light guide 33 has, for example, a cylindrical shape with a constant thickness.
  • the outer peripheral surface of the light guide 33 is a first main surface 33a, and the inner peripheral surface of the light guide 33 is a second main surface 33b.
  • the first main surface 33a that is curved outwardly is a light incident surface on which external light (for example, sunlight) L is incident.
  • the light incident surface 33a of the light guide 33 is a curved surface. Therefore, even when the incident angle of the light L changes along the bending direction of the light guide 33 depending on the time zone such as daytime and evening, the amount of power generation does not change greatly.
  • the light guide 33 is formed in a cylindrical shape, the light guide 33 can be installed on a pillar of a building, a utility pole, or the like.
  • the light guide 33 is formed in a cylindrical shape, but the shape of the light guide 33 is not limited to such a shape, and a cross section cut by a plane parallel to the XZ plane is an ellipse or a polygon.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the solar power generation device 1000.
  • the solar power generation apparatus 1000 includes a solar cell module 1001 that converts sunlight energy into electric power, an inverter (DC / AC converter) 1004 that converts DC power output from the solar cell module 1001 into AC power, A storage battery 1005 that stores DC power output from the battery module 1001.
  • a solar cell module 1001 that converts sunlight energy into electric power
  • an inverter (DC / AC converter) 1004 that converts DC power output from the solar cell module 1001 into AC power
  • a storage battery 1005 that stores DC power output from the battery module 1001.
  • the solar cell module 1001 includes a light guide body 1002 that condenses sunlight and a solar cell element 1003 that generates power by the sunlight collected by the light guide body 1002.
  • a solar cell module 1001 for example, the solar cell module described in the first to fourth embodiments or a modification thereof is used.
  • the solar power generation apparatus 1000 supplies power to the external electronic device 1006.
  • the electronic device 1006 is supplied with power from the auxiliary power source 1007 as necessary.
  • the photovoltaic power generation apparatus 1000 includes the above-described solar cell module according to the present invention, the photovoltaic power generation apparatus 1000 has a high power generation efficiency.
  • the present invention can be used for a solar cell module and a solar power generation device.

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Abstract

　効率よく発電を行うことが可能な太陽電池モジュールを提供する。 太陽電池モジュールは、導光体４と、導光体４の光射出面４ｃから射出された光を受光する太陽電池素子６と、を備えている。太陽電池素子６は、互いに隣接して配置された複数の太陽電池セル５を備えており、一の太陽電池セル５とその隣りの太陽電池セル５とは、絶縁フィルム上に導電層を積層してなるフレキシブル基板１１を介して、互いに電気的に接続されている。

Description

太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置
　本発明は、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置に関する。
　導光体の端面に太陽電池素子を設置し、導光体の内部を伝播した光を太陽電池セルに入射させて発電を行う太陽電池モジュールとして、特許文献１に記載の太陽電池モジュールが知られている。特許文献１の太陽電池モジュールは、導光体の内部に入射した太陽光によって蛍光体を発光させ、導光体の端面に設置された太陽電池セルに集光している。
　このような集光型の太陽電池モジュールでは、導光体のサイズが大きくなると、１つの太陽電池セルだけでは、導光体の端面に集光された光を受光することはできない。そのため、複数の太陽電池セルを導光体の端面に設置し、これらを電気的に接続することが必要となる。
　複数の太陽電池セルを電気的に接続する方法としては、特許文献２に記載の方法が知られている。特許文献２では、インターコネクター配線を用いて、一の太陽電池セルの受光面側の集電電極と、その隣りの太陽電池セルの裏面側の集電電極とを接続している。インターコネクター配線の材料としては、例えば特許文献３に記載されるような合金が用いられている。
日本国公開特許公報「特開昭５８－４９８６０号公報」 日本国公開特許公報「特開２００９－１４１２６４号公報」 日本国公開特許公報「特開２００１－６０７１２号公報」
　特許文献２の太陽電池モジュールでは、インターコネクター配線を一の太陽電池セルの受光面側から隣りの太陽電池セルの裏面側に折り曲げているが、インターコネクター配線として剛性の高い合金を用いると、インターコネクター配線を太陽電池セルの端部に沿って直角に折り曲げることができないため、折り曲げ部分の長さだけ、隣接する太陽電池セルの間に隙間ができる。そのため、導光体の端面に高密度に太陽電池セルを配置することができず、効率のよい発電を行うことができない。
　本発明の目的は、効率よく発電を行うことが可能な太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置を提供することにある。
　本発明の太陽電池モジュールは、光入射面と該光入射面よりも面積の小さい光射出面とを有する導光体と、前記導光体の光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、を備え、前記太陽電池素子は、互いに隣接して配置された複数の太陽電池セルを備え、一の太陽電池セルとその隣りの太陽電池セルとは、絶縁フィルム上に導電層を積層してなるフレキシブル基板を介して、互いに電気的に接続されている。
　前記太陽電池セルは、半導体基板と、前記半導体基板の一面側に形成された第１集電電極と、前記半導体基板の他面側に形成された第２集電電極と、を備え、前記フレキシブル基板の一端側は、一の太陽電池セルの第１集電電極に接続され、前記フレキシブル基板の他端側は、前記一の太陽電池セルの端面に沿って折り曲げられ、隣りの太陽電池セルの第２集電電極と接続されていてもよい。
　前記フレキシブル基板において前記導光体の光射出面と対向する面には、前記光射出面から射出された光を反射する反射層が設けられていてもよい。
　前記フレキシブル基板の前記第１集電電極と接続される部分が、前記導光体の光射出面の法線方向から見て、前記光射出面と重ならない位置に配置されていてもよい。
　前記フレキシブル基板と前記第１集電電極および前記第２集電電極とは、樹脂の内部に導電粒子を分散させた導電フィルムを用いて接続されていてもよい。
　本発明の太陽光発電装置は、本発明の太陽電池モジュールを備えている。
　本発明によれば、効率よく発電を行うことが可能な太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置を提供することができる。
第１実施形態の太陽電池モジュールの概略斜視図である。 太陽電池素子の部分斜視図である。 太陽電池素子の分解斜視図である。 太陽電池モジュールの部分断面図である。 太陽電池素子の形状や大きさの一例を示す模式図である。 第２実施形態の太陽電池モジュールの部分断面図である。 第３実施形態の太陽電池モジュールの模式図である。 第４実施形態の太陽電池モジュールの模式図である。 太陽光発電装置の概略構成図である。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の太陽電池モジュール１の概略斜視図である。
　太陽電池モジュール１は、導光体４（蛍光導光体）と、導光体４の第１端面４ｃから射出された光を受光する太陽電池素子６と、導光体４と太陽電池素子６とを一体に保持する枠体１０と、を備えている。
　導光体４は、光入射面である第１主面４ａと、第１主面４ａと対向する第２主面４ｂと、光射出面である第１端面４ｃと、を備えている。
　導光体４は、Ｚ軸に垂直な（ＸＹ平面と平行な）第１主面４ａ及び第２主面４ｂを有する略矩形の板状部材である。導光体４は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料からなる基材（透明基板）の内部に、光機能材料を分散させたものである。光機能材料としては、例えば、紫外光又は可視光を吸収して可視光又は赤外光を放射する蛍光体が含まれている。蛍光体から放射された光は、導光体４の内部を伝播して第１端面４ｃから射出され、太陽電池素子６で発電に利用される。
　なお、可視光は３８０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光であり、紫外光は３８０ｎｍ未満の波長領域の光であり、赤外光は７５０ｎｍよりも大きい波長領域の光である。
　導光体４の第１主面４ａ及び第２主面４ｂは概ねＸＹ平面と平行な平坦な面である。導光体４の第１端面４ｃ以外の端面には、導光体４の内部から導光体４の外部に向けて進行する光（蛍光体から放射された光）を導光体４の内部に向けて反射する反射層９が、当該端面に空気層を介して又は当該端面に空気層を介さずに直接接触して設けられている。導光体４の第２主面４ｂには、導光体４の内部から導光体４の外部に向けて進行する光（蛍光体から放射された光）または第１主面４ａから入射したが光機能材料に吸収されずに第２主面４ｂから射出した光を導光体４の内部に向けて反射する反射層７が、第２主面４ｂに空気層を介して又は第２主面４ｂに空気層を介さずに直接接触して設けられている。
　反射層７および反射層９としては、銀やアルミニウムなどの金属膜からなる反射層や、ＥＳＲ（Enhanced Specular Reflector）反射フィルム（３Ｍ社製）などの誘電体多層膜からなる反射層などを用いることができる。反射層７および反射層９は、入射した光を鏡面反射する鏡面反射層でもよいし、入射した光を散乱反射する散乱反射層でもよい。反射層７に散乱反射層を用いた場合には、太陽電池素子６の方向に直接向かう光の光量が増えるため、太陽電池素子６への集光効率が高まり、発電量が増加する。また、反射光が散乱されるため、時間や季節による発電量の変化が平均化される。なお、散乱反射層としては、マイクロ発砲ＰＥＴ（ポリエチレン－テレフタレート）（古河電工社製）などを用いることができる。
　太陽電池素子６は、受光面を導光体４の第１端面４ｃと対向させて配置されている。太陽電池素子６は、第１端面４ｃと光学接着されていることが好ましい。太陽電池素子６としては、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を使用することができる。中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池は、高効率な発電が可能であることから、太陽電池素子６として好適である。
　図１では、太陽電池素子６を導光体４の１つの端面のみに設置した例を示したが、太陽電池素子６は導光体４の複数の端面に設置してもよい。太陽電池素子６を導光体４の一部の端面（１辺、２辺または３辺）に設置する場合には、太陽電池素子が設置されていない端面には反射層９を設置することが好ましい。
　枠体１０は、導光体４の第１主面４ａと対向する面に光Ｌを透過する透過面１０ａを備えている。透過面１０ａは枠体１０の開口部であってもよく、枠体１０の開口部に嵌め込まれたガラス等の透明部材であってもよい。枠体１０の透過面１０ａとＺ方向から見て重なる部分の導光体４の第１主面４ａが、導光体４の光入射面である。また、導光体４の第１端面４ｃが導光体４の光射出面である。導光体４は、光入射面から入射した外光の一部を光機能材料によって吸収し、光機能材料から放射された光を光入射面よりも面積の小さい光射出面に集光して外部に射出する。
　図２は、太陽電池素子６の部分斜視図である。図３は、太陽電池素子６の分解斜視図である。
　太陽電池素子６は、導光体４の第１端面４ｃに沿って互いに隣接して配置された複数の太陽電池セル５と、隣接する太陽電池セル５同士を直列に接続する複数のフレキシブル基板（Flexible printed circuits ;FPC）１１と、を備えている。
　太陽電池セル５は、半導体基板２１と、半導体基板２１の一面側に形成されたフィンガー電極２５およびバスバー電極２４と、半導体基板２１の他面側に形成された裏面電極２３と、を備えている。
　半導体基板２１は、例えば矩形形状を有するＰ型半導体基板である。半導体基板２１としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、ガリウム砒素基板などの公知の種々の半導体基板を用いることができる。半導体基板２１の一面側にはＮ型不純物層２６が形成されており、Ｎ型不純物層２６と半導体基板２１のＰ型領域との界面でＰＮ接合が形成されている。
　Ｎ型不純物層２６の表面には、複数のフィンガー電極２５が半導体基板２１の1辺に沿って互いに隣接して形成されている。複数のフィンガー電極２５の一端側には、これら複数のフィンガー電極２５を接続するバスバー電極２４が形成されている。バスバー電極２４は、複数のフィンガー電極２５を横切るように半導体基板２１の前記1辺に沿ってストライプ状に形成されている。複数のフィンガー電極２５とバスバー電極２４によって、第１集電電極２２が形成されている。半導体基板２１の他面側には、第２集電電極としての裏面電極２３が、概ね半導体基板２１の他面全体を覆うように形成されている。
　フレキシブル基板１１は、絶縁フィルム１９上に導電層１８を積層してなる可撓性の配線基板である。フレキシブル基板１１としては、例えば、銅箔などの導電層１８の上下面をポリイミドなどの絶縁フィルム１９で覆い、太陽電池セル５と接続する部分の絶縁フィルム１９を除去して導電層１８を露出させたものが用いられる。
　フレキシブル基板１１は、バスバー電極２４と接続される第１電極部１２と、裏面電極２３と接続される第２電極部１３と、第１電極部１２と第２電極部１３とを接続する接続部１７と、を備えている。フレキシブル基板１１は、その一端側の第１電極部１２が一の太陽電池セル５のバスバー電極２４に接続され、その他端側の第２電極部１３および接続部１７が該一の太陽電池セル５の端面に沿って折り曲げられ、隣りの太陽電池セル５の裏面電極２３に接続されている。接続部１７は太陽電池セル５の端面に沿って略直角に折り曲げられており、太陽電池セル５間に大きな隙間が生じないようになっている。
　フレキシブル基板１１とバスバー電極２４および裏面電極２３とは、導電フィルム１４，１５を用いて接続されている。導電フィルム１４，１５は、樹脂の内部に微細な導電粒子を分散させて厚さ１０μｍから１００μｍ程度の膜状に成型したものである。導電フィルム１４，１５としては、異方性導電フィルム（Anisotropic Conductive Film ;ACF）などを用いることができるが、異方性導電フィルムのように厚み方向のみに導電性を有するものだけでなく、厚み方向とそれと直交する方向の双方に導電性を有するものを用いることも可能である。
　フレキシブル基板１１において導光体４の第１端面４ｃと対向する面には、導光体４の第1端面４ｃから入射した光を反射する反射層１６が設けられている。反射層１６を設けることによって、フレキシブル基板１１による光の吸収を抑制し、導光体４からの光を効率よく発電に利用することが可能となる。
　図４は、太陽電池モジュール１の部分断面図である。
　本実施形態の場合、導光体４の内部には、光機能材料として、橙色光を吸収して赤色の蛍光Ｌ１を放射する蛍光体８が分散されている。導光体４は、蛍光体を含まない透明な基材３と、基材３の内部に分散された蛍光体８と、を含んで構成されている。基材３は、蛍光体を含まない透明層であるが、導光体４の内部での波長変換を目的として意図的に蛍光体を分散したものでなければ、若干の蛍光体を含み、完全に透明ではない材料で製造されたものであっても基材３として使用可能である。
　太陽電池素子６と導光体４は、透明な接着剤３０によって接着されている。太陽電池セル５のＺ方向の高さは、導光体４のＺ方向の高さと概ね一致している。フレキシブル基板１１の第１電極部１２は、太陽電池セル５の上端部に接続されており、第１電極部１２の導光体４側の面には反射層１６が設けられている。導光体４の第1端面４ｃから射出された光Ｌ１のうち第１電極部１２に向かう光は、反射層１６で反射されて導光体４の第1端面４ｃに入射する。そして、導光体４の内部を伝播し、再び第1端面４ｃから射出されて発電に利用される。
　反射層１６としては、銀やアルミニウムなどの金属膜からなる反射層や、ＥＳＲ（Enhanced Specular Reflector）反射フィルム（３Ｍ社製）などの誘電体多層膜からなる反射層などを用いることができる。反射層１６は、入射した光を鏡面反射する鏡面反射層でもよいし、入射した光を散乱反射する散乱反射層でもよい。
　ここで、反射層１６が設置されている場合および反射層が設置されていない場合の太陽電池素子のエネルギー変換効率の一例を説明する。図５は、演算の対象となる太陽電池素子（太陽電池セルおよびフレキシブル基板）の形状や大きさを説明する図である。
　図５において、太陽電池セルの平面形状は、幅９９ｍｍ、高さ５ｍｍの長方形であり、太陽電池セル間の隙間は１ｍｍである。バスバー電極の幅は１ｍｍであり、バスバー電極と重なる位置に幅１ｍｍのフレキシブル基板が配置されている。フレキシブル基板においてバスバー電極と重なる部分および太陽電池セル間の隙間に露出する部分の表面には、反射層が設置されている。図５の例では、幅１ｍｍの反射層が、太陽電池セルの２辺に沿ってＬ字状に設置されている。
　エネルギー変換効率を演算する際の前提として、フレキシブル基板に入射した光は全て吸収または透過して導光体に戻らないものとする。また、反射層に入射した光は１００％導光体側に反射し、導光体に戻された光は、導光体の基材による吸収や蛍光体の自己吸収、再発光による損失を考慮して、７０％が太陽電池セルに入射するものとする。なお、導光体としては、厚さ５ｍｍのＰＭＭＡ基板の内部にBASF社製のLumogen Red 305（商品名）を分散させたものを用いた。導光体の大きさは４０ｃｍ角である。
　簡単のため、１つの太陽電池セルのエネルギー変換効率を考える。フレキシブル基板上に反射層が設置されていない場合には、導光体の第１端面から太陽電池セルに入射する光の割合は、次式（１）で表される。
（（４×９９）／（１００×５））×１００＝７９．２％…（１）
　ここで、「４×９９」は、太陽電池セルの受光面の露出部分の面積であり、「１００×５」は、太陽電池セルおよび太陽電池セル間の隙間の面積である。
　反射層を設置した場合には、上記に加え、反射層に入射した光のうちの７０％が太陽電池セルに入射するため、導光体の第１端面から太陽電池セルに入射する光の割合は、次式（２）で表される。
（（４×９９＋１０４×０．７）／（１００×５））×１００＝９３．８％…（２）
　ここで、「１０４」は、反射層の設置面積である。
　ここで、太陽電池セルのエネルギー変換効率は、次式（３）で求められる。
エネルギー変換効率＝（（出力電圧×出力電流）／太陽光エネルギー）×１００…（３）
　太陽電池セルへの光の入射量が増加すると、それに比例して太陽電池セルから取り出される電流量が増加する。したがって、フレキシブル基板上に反射層が設置されていない場合のエネルギー変換効率を１０％とすると、反射層が設置されている場合のエネルギー変換効率は、次式（４）で表される。
１０×９３．８／７９．２＝１１．８％…（４）
　よって、フレキシブル基板上に反射層が設置されている場合には、反射層が設置されていない場合に比べて、１．８％エネルギー変換効率が改善する。
　上記の結果は、反射層として、光を鏡面反射する反射層を用いた場合の結果であるが、反射層として、光を様々な方向に散乱する反射層を用いた場合には、次のような結果となる。
　ここでは、エネルギー変換効率を演算する際の前提として、反射層によって前方散乱される光の割合を２０％とした。他の条件は、上述したものと同じである。
　この場合、導光体の第１端面から太陽電池セルに入射する光の割合は、次式（５）で表される。
（（４×９９＋１０４×０．８×０．７）／（１００×５））×１００＝９０．８％…（５）
　ここで、「０．８」は、反射層に入射した光のうち後方散乱して導光体に戻される光の割合である。
　また、エネルギー変換効率は、次式（６）で表される。
１０×９０．８／７９．２＝１１．５…（６）
　よって、反射層がフレキシブル基板に設置されていない場合に比べて、１．５％エネルギー変換効率が改善する。
　以上説明したように、本実施形態の太陽電池モジュール１では、一の太陽電池セル５とその隣りの太陽電池セル５とがフレキシブル基板１１を介して互いに電気的に接続されている。そのため、フレキシブル基板１１を太陽電池セル５の端面に沿って略直角に折り曲げることができ、太陽電池セル５間の隙間を小さくすることが可能である。よって、導光体４の第１端面に複数の太陽電池セル５を高密度に配置することができ、効率のよい発電が可能となる。
　また、本実施形態の太陽電池モジュール１では、フレキシブル基板１１の第１端面４ｃと対向する面に反射層１６が設けられているため、フレキシブル基板１１に入射した光を導光体４に戻して再利用することができ、さらに効率のよい発電が可能となる。
　また、本実施形態の太陽電池モジュール１では、フレキシブル基板１１と太陽電池セル５とが、導電フィルム１４，１５を用いて接続されているため、ハンダなどを用いて接続を行う場合に比べて、接続作業が容易となる。通常、薄い導電フィルムは抵抗が大きいので大きな電流を流すと電力ロスが大きくなるが、本実施形態では、導光体４の第１端面４ｃに収まる程度の小さな太陽電池セル５を複数直列に接続して、個々のフレキシブル基板１１に流れる電流量を小さくしているので、薄い導電フィルムを用いても大きな電力ロスは発生しない。
［第２実施形態］
　図６は、第２実施形態の太陽電池モジュール２の部分断面図である。
　本実施形態において第１実施形態と異なる点は、フレキシブル基板１１のバスバー電極と接続される部分（第１電極部１２）が、導光体４の第１端面４ｃの法線方向（Ｙ方向）から見て、第１端面４ｃと重ならない位置に配置されている点である。
　この構成によれば、第１端面４ｃから射出された光はフレキシブル基板１１に遮られることなく太陽電池セル５に入射するため、第１実施形態のように第１電極部１２の導光体４側の面に反射層を設けて光をリサイクルする場合に比べて、光の利用効率が高くなる。よって、効率のよい発電が可能となる。
［第３実施形態］
　図７は、第３実施形態の太陽電池モジュール３２の模式図である。太陽電池モジュール３２では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
　太陽電池モジュール３２では、導光体３０は、湾曲した板状の部材として構成され、太陽電池素子３１は、光射出面である導光体３０の湾曲した第１端面３０ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３０は、例えば、厚みが一定の板状の部材をＹ軸と平行な軸の回りに湾曲させた形状を有する。導光体３０の第１主面３０ａと第２主面３０ｂのうち、外側に凸状に湾曲した第１主面３０ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
　太陽電池モジュール３２では、導光体３０の光入射面３０ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３０の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。通常、太陽電池で発電を行う場合には、太陽電池の受光面が光の入射方向を向くように、追尾装置を設けて太陽電池の角度を２軸方向で制御することが行われるが、本実施形態のように、導光体３０の光入射面３０ａが様々な方向を向くように湾曲した形状となっている場合には、そのような追尾装置を設ける必要がない。仮に追尾装置を設ける場合でも、湾曲方向と直交する方向の角度制御のみでよいため、２軸方向で角度制御を行う場合に比べて追尾装置の構成を簡素化することができる。本実施形態の場合、導光体３０は一方向に湾曲した形状とされているが、導光体３０の形状はこれに限らない。例えば半球状や釣鐘状などのドーム形状とすることもできる。その場合には、追尾装置は不要になる。
　太陽電池モジュール３２では、導光体３０が湾曲しているため、導光体３０を、曲面形状に形成された建物の壁面や屋根に設置することができる。本実施形態の場合、導光体３０は一方向に湾曲した形状とされているが、導光体３０の形状はこのような単純な形状に限らない。例えば、瓦状の形状や波状の形状など、自由な形状に設計することができる。導光体３０を設置する場所に応じて、湾曲形状だけでなく、稜線を有して屈曲した屈曲形状を有していてもよい。湾曲した面や屈曲した面は、光入射面の少なくとも一部に設けられていればよく、それにより、上述した効果が得られる。
［第４実施形態］
　図８は、第４実施形態の太陽電池モジュール３５の模式図である。太陽電池モジュール３５では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
　太陽電池モジュール３５では、導光体３３は、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする筒状の部材として構成され、太陽電池素子３４は、光射出面である導光体３３の第１端面３３ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３３は、例えば、厚みが一定の円筒状の形状を有する。導光体３３の外周面が第１主面３３ａであり、導光体３３の内周面が第２主面３３ｂである。導光体３３の第１主面３３ａと第２主面３３ｂのうち、外側に凸状に湾曲した第１主面３３ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
　太陽電池モジュール３５では、導光体３３の光入射面３３ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３３の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。また、導光体３３が筒状に形成されているため、導光体３３を建物の柱や電柱などに設置することができる。本実施形態の場合、導光体３３は円筒状に形成されているが、導光体３３の形状はこのような形状に限らす、ＸＺ平面と平行な平面で切った断面が楕円や多角形など、導光体３３を設置する場所に応じて自由な形状に設計することができる。
［変形形態］
　上記実施形態では、導光体４として、蛍光体を内部に分散させたものを用いたが、導光体４はこのようなものに限定されない。導光体４としては、光入射面４ａから入射した外光を全反射によって伝播させ、第１端面４ｃから射出させるものを用いてもよい。
［太陽光発電装置］
　図９は、太陽光発電装置１０００の概略構成図である。
　太陽光発電装置１０００は、太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽電池モジュール１００１と、太陽電池モジュール１００１から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ（直流／交流変換器）１００４と、太陽電池モジュール１００１から出力された直流電力を蓄える蓄電池１００５と、を備えている。
　太陽電池モジュール１００１は、太陽光を集光する導光体１００２と、導光体１００２によって集光された太陽光によって発電を行う太陽電池素子１００３と、を備えている。太陽電池モジュール１００１としては、例えば、第１実施形態ないし第４実施形態若しくはその変形形態で説明した太陽電池モジュールが用いられる。
　太陽光発電装置１０００は外部の電子機器１００６に対して電力を供給する。電子機器１００６には、必要に応じて補助電力源１００７から電力が供給される。
　太陽光発電装置１０００は、上述した本発明に係る太陽電池モジュールを備えているため、発電効率の高い太陽光発電装置となる。
　本発明は、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置に利用することができる。
１，２…太陽電池モジュール、４…導光体、４ａ…第１主面（光入射面）、４ｃ…第１端面（光射出面）、５…太陽電池セル、６…太陽電池素子、１１…フレキシブル基板、１４，１５…導電フィルム、１６…反射層、１８…導電層、１９…絶縁フィルム、２１…半導体基板、２２…第１集電電極、２３…裏面電極（第２集電電極）、３０…導光体、３０ａ…第１主面（光入射面）、３０ｃ…第１端面（光射出面）、３１…太陽電池素子、３２…太陽電池モジュール、３３…導光体、３３ａ…第１主面（光入射面）、３３ｃ…第１端面（光射出面）、３４…太陽電池素子、３５…太陽電池モジュール、１０００…太陽光発電装置

Claims (6)

  1. 　光入射面と該光入射面よりも面積の小さい光射出面とを有する導光体と、
    　前記導光体の光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、を備え、
    　前記太陽電池素子は、互いに隣接して配置された複数の太陽電池セルを備え、
    　一の太陽電池セルとその隣りの太陽電池セルとは、絶縁フィルム上に導電層を積層してなるフレキシブル基板を介して、互いに電気的に接続されている太陽電池モジュール。
  2. 　前記太陽電池セルは、半導体基板と、前記半導体基板の一面側に形成された第１集電電極と、前記半導体基板の他面側に形成された第２集電電極と、を備え、
    　前記フレキシブル基板の一端側は、一の太陽電池セルの第１集電電極に接続され、前記フレキシブル基板の他端側は、前記一の太陽電池セルの端面に沿って折り曲げられ、隣りの太陽電池セルの第２集電電極と接続されている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 　前記フレキシブル基板において前記導光体の光射出面と対向する面には、前記光射出面から射出された光を反射する反射層が設けられている請求項２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 　前記フレキシブル基板の前記第１集電電極と接続される部分が、前記導光体の光射出面の法線方向から見て、前記光射出面と重ならない位置に配置されている請求項２に記載の太陽電池モジュール。
  5. 　前記フレキシブル基板と前記第１集電電極および前記第２集電電極とは、樹脂の内部に導電粒子を分散させた導電フィルムを用いて接続されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを備えている太陽光発電装置。
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