(57)【要約】【課題】集光レンズと太陽電池素子の位置合わせが容易で製造工程が簡略化でき、低コストな太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】表面保護材と裏面保護材の間に太陽電池セルを配置した集光型太陽電池モジュールにおいて、前記表面保護材と太陽電池セルの間に、表面保護材側からの入射光が太陽電池セルに集光するように集光レンズを設置したことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。【選択図】図３
2010109045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面保護部材と裏面保護部材の間に太陽電池セルを配置した集光型太陽電池モジュールにおいて、前記表面保護部材と太陽電池セルの間に、表面保護部材側からの入射光が太陽電池セルに集光するように集光レンズを設置したことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項２】
該集光レンズの焦点距離をｘ（ｍｍ）、該集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離をｙ（ｍｍ）とした時に、下記一般式１を満たすことを特徴とする請求項１記載の集光型太陽電池モジュール。
一般式１  ０．３＜ｙ／ｘ＜１
【請求項３】
該集光レンズが、複数のレンズが形成された集光レンズシートであることを特徴とする請求項１または２記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項４】
該集光レンズが、複数のリニアフレネルレンズからなる集光レンズシートであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項５】
該集光レンズの焦点距離ｘが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項６】
該集光レンズの焦点距離ｘが１ｍｍ以上５ｍｍ以下、レンズピッチが１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項７】
該太陽電池セルが、ＣＩＳ型の化合物半導体太陽電池セルであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信頼性を向上させた太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、資源の有効利用や環境汚染の防止等の面から、太陽光を直接電気エネルギーに変換する太陽光発電装置が注目され、開発が進められている。太陽光発電の普及のためには、太陽光発電装置の高効率化、低コスト化が必要であり、現在様々な方式の太陽光発電装置の開発が進められている。
【０００３】
高効率な太陽光発電装置として、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池素子からなる太陽電池モジュールに照射して電力を取り出すタイプの集光型太陽光発電装置が知られている。一般に集光型太陽光発電装置は、高効率なＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ等の高価な半導体からなる小面積の太陽電池セルと、その上に配置した大型の集光レンズを組み合わせた構成で、さらに高効率化を図るために太陽の動きに合わせて追尾する駆動装置を備えているため、高効率な反面製造コストが高いという欠点があった（例えば、特許文献１参照。）。そのため、低コストな集光型太陽光発電装置として、集光レンズを固定して太陽電池セルのみを移動させる方法（例えば特許文献２、３参照）や、集光レンズと太陽電池セルを一体化した太陽電池モジュール全体を移動させる方法（例えば特許文献４参照）が提案されているが、従来の如く集光倍率１００倍以上を狙った装置では、集光レンズと太陽電池セル間に距離をとる必要があることや、放熱や駆動装置が必要であるため小型化、低コスト化には限界があった。
【特許文献１】特開２００４−１５３２０２号公報
【特許文献２】特許３２７５６８４号公報
【特許文献３】特開平１１−１２５７６５号公報
【特許文献４】特開２００６−３４３４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、大型の装置や高価な材料を用いない、高効率な太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００５】
また、集光レンズと太陽電池素子の位置合わせが容易で製造工程が簡略化でき、低コストな太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記課題は以下の構成により達成される。
【０００７】
１．表面保護部材と裏面保護部材の間に太陽電池セルを配置した集光型太陽電池モジュールにおいて、前記表面保護部材と太陽電池セルの間に、表面保護部材側からの入射光が太陽電池セルに集光するように集光レンズを設置したことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【０００８】
２．該集光レンズの焦点距離をｘ（ｍｍ）、該集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離をｙ（ｍｍ）とした時に、下記一般式１を満たすことを特徴とする前記１記載の集光型太陽電池モジュール。
【０００９】
一般式１  ０．３＜ｙ／ｘ＜１
３．該集光レンズが、複数のレンズが形成された集光レンズシートであることを特徴とする前記１または２記載の集光型太陽電池モジュール。
【００１０】
４．該集光レンズが、複数のリニアフレネルレンズからなる集光レンズシートであることを特徴とする前記１〜３の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【００１１】
５．該集光レンズの焦点距離ｘが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする前記１〜４の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【００１２】
６．該集光レンズの焦点距離ｘが１ｍｍ以上５ｍｍ以下、レンズピッチが１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする前記１〜５の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【００１３】
７．該太陽電池セルが、ＣＩＳ型の化合物半導体太陽電池セルであることを特徴とする前記１〜６の何れか１項記載の集光型太陽電池モジュール。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、非集光型の従来モジュールと同一の構成で、焦点距離の短い集光レンズを表面保護部材の下に設置することにより太陽電池セルへの集光を行い、低コストで高効率な太陽電池モジュールを得ることができる。さらに、集光レンズの焦点距離より手前に太陽電池セルを設置し、集光倍率を１０〜５０倍程度に設計することで、斜め光が入射した際にも集光による効率向上が得られ、１日の発電量が増大するという驚くべき効果も得られた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、一般的な非集光型の太陽電池モジュール断面の一部であり、それぞれ隣接する太陽電池セル１を配線３で接続している様子を示した概略図である。このように接続された太陽電池セルは、封止材層２を介して光入射側の透明な表面保護部材４１と裏面側の裏面保護部材４２に挟持されている。
【００１８】
図２は、一般的な集光型太陽電池の概念図である。集光レンズ５１の焦点距離付近に太陽電池セル１を基材６上に設置し、１００〜５００倍に集光した光が小面積の太陽電池セルに当たるように、集光レンズと太陽電池セルの設置位置を制御している。この場合、太陽光の入射角が変化すると、太陽電池セルに光が当たらなくなってしまうため、追尾装置を用いて集光レンズまたは太陽電池セルを機械的に移動し、常に太陽電池セルに光が当たる様に制御している。
【００１９】
従って、一般的な集光型太陽電池では、集光レンズと太陽電池セルの一方または両方が動く構造となっており、製造工程が複雑であるとともに、追尾装置による高度な制御が必要である。
【００２０】
図３に、本発明の集光型太陽電池モジュール断面図を示す。本発明においては、集光レンズを表面保護部材４１の裏面に設置することを特徴とし、集光レンズと太陽電池セルが一体化した太陽電池モジュールであることを特徴とする。
【００２１】
本発明の集光型太陽電池モジュールは、従来の非集光型太陽電池モジュールと同程度の厚みであることが好ましく、図３に示したモジュール厚ｚが１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましく、さらに１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明において用いられる集光レンズは、凸レンズやフレネルレンズ等の一般的なレンズを用いることができるが、直線配列の太陽電池セルへスリット状に集光するシリンドリカルレンズが好ましく、さらに複数の集光レンズが連続的に形成されたレンズシートであることが好ましい。図３中に集光レンズシート５２を用いた例を示した。
【００２３】
また、本発明の集光型太陽電池モジュールの厚みは、従来の非集光型太陽電池モジュールと同程度とするためには、本発明に用いられる集光レンズの焦点距離は短いことが好ましく、焦点距離ｘが１０ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００２４】
図４は、焦点距離ｘと集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙおよび入射光の入射角を示す概念図である。図４（ａ）は入射光が太陽電池モジュールに入射角０度で入射されたとき、図４（ｂ）は入射角θで斜めから入射されたときの入射状態を表す。
【００２５】
また、本発明においては、該焦点距離ｘと集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙが、０．３＜ｙ／ｘ＜１の範囲内にあることが好ましく、さらに０．４５＜ｙ／ｘ＜０．９５の範囲内にあることがより好ましい。
【００２６】
本発明において上記の位置に太陽電池セルを設置することにより、集光倍率を調整することができ、好ましい集光倍率は２〜５０倍である。さらに太陽電池セルを集光レンズの焦点距離より手前に配置し、さらに太陽電池セルの表面積を集光レンズと同等程度にすることにより、斜めの入射光が太陽電池セルに高照度で当たるため、同面積の太陽電池セルの非集光型太陽電池モジュールよりも光変換効率を高くすることができる。
【００２７】
本発明の集光型太陽電池モジュールにおいては、集光レンズと太陽電池セル間の封止材層により集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙを調整することができる。
【００２８】
封止材料としては、一般的に透明封止材として用いられるエチレン−ビニルアセテート（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、フッ素系樹脂、アイオノマー樹脂、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、酸変性ポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル樹脂等が好ましく、特に透光性と接着性が高いＥＶＡが好ましい。さらに、前記集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙを調整するために２種以上の異なる樹脂を積層した封止フィルムを使用することができ、本発明においては、２枚のＥＶＡフィルムの間にポリエステル樹脂フィルムを挟むことにより前記集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙを所定の距離に調整することが好ましい。
【００２９】
本発明において好ましい集光レンズは、短焦点のリニアフレネルレンズが連続して形成されたレンズシートであり、このような構造の集光レンズシートを低コストで作製することが好ましい。
【００３０】
該集光レンズシートは、透明樹脂フィルムの表面にフレネルレンズ構造の微細な凹凸を形成することにより作製できる。
【００３１】
本発明において用いられる焦点距離が１０ｍｍ以下のフレネルレンズは、レンズピッチを鋳型に作製し、ＵＶ硬化性の樹脂を鋳型に押し付けて硬化後剥離することにより形成することが好ましい。すなわち、ロール状の鋳型を用いてＵＶ硬化樹脂に１０μｍ以上１００μｍ以下のレンズピッチを転写することにより焦点距離が１ｍｍ以上５ｍｍ以下であるレンズシートを形成することが好ましい。
【００３２】
上記の集光レンズシートは、図３に示すように表面側保護部材の裏面に接触するように配置されるか、表面保護部材の裏面側にレンズ形状が加工されていることが好ましい。
【００３３】
本発明に用いられる太陽電池セル１は、内部にＰＮ接合やＰＩＮ接合等の半導体接合を有する、単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン半導体材料、ＧａＡｓやＣｕＩｎＳｅ等の化合物系半導体材料、色素増感系等の有機系材料など一般的な太陽電池材料を用いることができるが、本発明の太陽電池モジュール構成においては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ等の結晶材料を用いた太陽電池セルが好ましく用いられる。
【００３４】
本発明においては、特にＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅからなる化合物半導体材料の薄膜を用いたＣＩＳ型太陽電池セルを用いることが、集光による高効率化の点と生産性の点で好ましい。すなわち、図５に示すような、基板６上に形成したＣＩＳ型太陽電池１を表面保護部材４１と裏面保護部材４２の間に封止する太陽電池モジュールにおいて、フレネルレンズ構造１単位巾ａを１個の太陽電池セル巾ｂと同一巾で形成した集光レンズシート５２を、太陽電池セルを形成した基板に重ねて封止することにより、集光型太陽電池モジュールが容易に形成できる。
【００３５】
表面電極１１は、透明導電膜が好ましく用いられ、特にＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＩＷＯ、ＺｎＯ等の透光性導電酸化物を含む透明導電膜が好ましい。裏面電極１２は、銀やアルミ、銅、ニッケル、モリブデン、錫、金等、もしくはこれらの合金等の導電性材料を含んだもので形成され、特にモリブデン、もしくはモリブデン化合物が好ましい。なお、電極は導電性材料を含んだ単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。
【００３６】
光入射側の表面保護部材４１は、通常珪酸塩ガラスなどのガラス基板であるのがよい。ガラス基板の厚さは、０．１〜１０ｍｍが一般的であり、０．３〜５ｍｍが好ましい。ガラス基板は、一般に、化学的に、或いは熱的に強化させたものであってもよい。また、太陽電池モジュールを軽量化するために樹脂材料を用いることもできる。
【００３７】
光入射側透明保護部材として用いられる樹脂材料は、太陽電池セルの受光面側が透光性のものであれば、特に限定されるものではなく、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ＡＢＳ，フェノール樹脂、メラミン樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、天然ゴムやその誘導体から成るものでも良く、または前記樹脂の２種類以上から成るものでもよいし、２種類以上の樹脂板を貼り合わせたものでもよい。
【００３８】
裏面保護部材４２は、上記光入射側透明の表面保護部材４１と同様の材料が使用可能であるが、さらに、モジュール全体の質量を軽くするため、比較的軟らかいフィルム状のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルムやフッ素樹脂フィルム等の樹脂フィルム、シリカやアルミナ等の金属酸化物の蒸着膜が形成された樹脂フィルム、アルミ箔等の金属フィルム、もしくはこれらの積層フィルムなどの材料を用いて構成することができる。
【００３９】
また、裏面側保護部材４２には、凹凸構造を設けたり、熱伝導性の高い金属等からなるフィルムや放熱フィンを貼付したりして、集光による太陽電池セルの加熱を抑制する機能を付与することもできる。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明の態様はこれに限定されない。
【００４１】
（実施例１）
＜太陽電池モジュールの作製＞
図１または図３に示すように、ガラス板（厚さ３ｍｍ）よりなる光入射側透明保護部材４１またはガラス板にあらかじめ集光レンズシートを貼り合わせた表面保護部材と、アルミ箔を２枚のＰＥＴフィルムで挟んだ厚さ１ｍｍの裏面側保護部材４２との間に太陽電池セル１を４つ直列に接続した状態で封止して太陽電池モジュールＮｏ．１〜４を製造した。太陽電池セルは、１０ｃｍ角の大きさで、厚みが１５０μｍの単結晶シリコンウエハを用い、表面および裏面にアルミ電極をつけたものを用いた。この際、封止材料として厚さ０．５ｍｍのＥＶＡフィルムの間にＰＥＴフィルムを挟んだ物を用い、集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙが表１記載の値となるように調整した。なお、封止は、真空ラミネータで、真空下、温度１５０℃で、加熱圧着することにより行った。
【００４２】
＜太陽電池モジュールの評価＞
上記で作製した太陽電池モジュールに、ＡＭ１．５にスペクトル調整したソーラーシミュレータによって、２５℃、照射強度１０００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光を照射し、太陽電池の開放電圧［Ｖ］、および、１ｃｍ２当たりの公称最大出力動作電流［Ａ］および公称最大出力動作電圧［Ｖ］を測定し、これらの積から公称最大出力［Ｗ］（ＪＩＳ  Ｃ８９１１−１９９８）を求め、これを各モジュールの出力とした。さらに、集光レンズを用いないで作製したモジュール１の出力を１００として他の水準の出力を算出した。
【００４３】
【表１】
2010109045.tif 000003
【００４４】
本発明の集光型太陽電池モジュールは、従来の太陽電池モジュールとほぼ同等の厚さでありながら、優れた出力水準を示すことが分かる。
【００４５】
（実施例２）
＜太陽電池モジュールの作製＞
図５に示すように、ソーダガラス基板６上にＭｏからなる裏面電極１２を形成した後にＣｕ−Ｇａ／Ｉｎプリカーサ膜を形成し、セレン化法によりＣＩＳ型半導体層を形成した。その後、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ，ＯＨ）ｘ、ＺｎＯ：Ｂ透明導電膜層を表面電極１１として形成し、パターニングにより２ｍｍ幅の単位セルが５０個直列接続したＣＩＳ型太陽電池セルを作製した。このＣＩＳ型太陽電池セルを図５に示すように、２ｍｍ幅のフレネルレンズ構造を形成した集光レンズシート５２を貼り合わせた３ｍｍ厚のガラス板４１と、アルミ箔を２枚のＰＥＴフィルムで挟んだ厚さ１ｍｍの裏面側保護部材４２との間に封止して太陽電池モジュールＮｏ．５〜１１を作製した。この際、封止材料として厚さ０．５ｍｍのＥＶＡフィルムの間にＰＥＴフィルムを挟んだ物を用い、集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙが表２記載の値となるように調整した。なお、封止は、真空ラミネータで、真空下、温度１５０℃で、加熱圧着することにより行った。
【００４６】
＜太陽電池モジュールの評価＞
上記で作製した太陽電池モジュールに、ＡＭ１．５にスペクトル調整したソーラーシミュレータによって、２５℃、照射強度１０００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光を照射し、太陽電池の開放電圧［Ｖ］、および、１ｃｍ２当たりの公称最大出力動作電流［Ａ］および公称最大出力動作電圧［Ｖ］を測定し、これらの積から公称最大出力［Ｗ］（ＪＩＳ  Ｃ８９１１−１９９８）を求め、これを各モジュールの出力とした。
【００４７】
さらに、ソーラーシミュレータの光を太陽電池モジュールに照射する入射角を表２記載の様に変化させて同様の測定を行い、集光レンズを用いないで作製したモジュール５の入射角０度の出力を１００として他の水準の出力を算出した。
【００４８】
結果を表２に記載する。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
本発明のＣＩＳ型の集光型太陽電池モジュールは、従来の太陽電池モジュールと比較して、光の入射角が広い範囲に亘って高い出力水準を示すことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】一般的な非集光型の太陽電池モジュール断面の一部である。
【図２】一般的な集光型太陽電池の概念図である。
【図３】本発明の集光型太陽電池モジュール断面図を示す。
【図４】焦点距離ｘと集光レンズの入射面と太陽電池セルの距離ｙおよび入射光の入射角を示す概念図である。
【図５】本発明のＣＩＳ型の集光型太陽電池モジュールを示す。
【符号の説明】
【００５２】
１  太陽電池セル
２  封止材層
３  配線
６  基材
１１  表面電極
１２  裏面電極
４１  表面保護部材
４２  裏面保護部材
５１  集光レンズ
５２  集光レンズシート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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