(57)【要約】【課題】簡単な方法で面積当たりの発電量を増大させる太陽電池システムを提案する。【解決手段】太陽に面する側に透明性を有する集光型太陽電池モジュールを配置し、その下に重ねて非集光型太陽電池モジュールを配置して一つのパネルとし、このバネルを複数枚配置したアレイを太陽光追尾するようにした太陽電池システムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽に面する側に透明性を有する集光型太陽電池モジュールを配置し、その下に重ねて非集光型太陽電池モジュールを配置して一つのパネルとし、このバネルを複数枚配置したアレイを太陽光追尾するようにした太陽電池システム。
【請求項２】
集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電池モジュールの電気系統は独立であり、いずれかの電気系統がパワーコンディショナーに入力される直前でＤＣ−ＤＣコンバーターにより出力電圧が同じになるよう調整された後に、合成されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池システム。
【請求項３】
集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電池モジュールの間には空気の出入りがあるよう非密閉であることを特徴とする請求項１と２に記載の太陽電池システム。
【請求項４】
集光型太陽電池モジュールは少なくとも集光体と太陽電池セルと透明の回路基板から成り、太陽電池セルは回路基板の実装域に搭載され、実装域の裏面側には放熱体が形成され、少なくとも太陽電池セルは前記集光体で封止された構造であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の太陽電池システム。
【請求項５】
前記放熱体は金属板であり、回路基板の太陽電池セル実装域に形成されたサーマルビアにより接続されたことを特徴とする請求項１乃至４に記載の太陽電池システム。
【請求項６】
集光型太陽電池モジュールの太陽電池セルは表面に形成された電極と回路基板が金属端子を介して接続されたことを特徴とする請求項１乃至４に記載の太陽電池システム。
【請求項７】
集光型太陽電池モジュールに搭載する太陽電池セルは、そのエネルギー変換効率が４０％以上であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の太陽電池システム。
【請求項８】
太陽電池システムを構成する集光型太陽電池モジュールは、少なくとも集光体を複数個形成されたパネルサイズのシートと接着材シートと太陽電池セルが実装された回路基板シートと接着材シートを順に重ねて熱処理を行い、前記接着材シートを溶融・固化させて集光型太陽電池モジュールを形成することを特徴とする太陽電池システムの製造方法。
【請求項９】
集光型太陽電池モジュールの太陽電池セルの回路基板への実装において、複数個の太陽電池セルは予め回路基板上の実装配置に合わせたポケット配置のトレイに収納され、吸着基板で太陽電池セルを吸着して取り出した後、回路基板の実装予定域に複数個を一括して載置して実装する手順を、パネルサイズの回路基板シートに繰り返し行うことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池システムの製造方法。
【請求項１０】
トレイは多孔質基板にフレームで仕切られたポケットを有し、多孔質に空気を送り込むことでポケットに収納された太陽電池セルは浮上するため、ポケットの端に整列させることができ、また空気を吸引することで太陽電池セルを固定することができ、多孔質の吸着板で整列された太陽電池セルを吸着することを特徴とする請求項７乃至８に記載の太陽電池システムの製造方法。
【請求項１１】
太陽電池セルは予め表面電極に金属端子が接合された太陽電池セルであることを特徴とする請求項７乃至９に記載の太陽電池システムの製造方法。
【請求項１２】
太陽電池セルへの金属端子の接合と金属端子が形成された太陽電池セルの回路基板への実装は低温焼結性金属ペーストを使用することを特徴とする請求項７乃至１０に記載の太陽電池システムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電池モジュールを重ねて駆動する太陽電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  太陽電池には集光型太陽電池モジュール（特許文献１）と非集光型太陽電池モジュールがある。集光型太陽電池モジュールは太陽光追尾型パネルであり、非集光型太陽電池モジュールは固定型パネルとも言われる。集光型太陽電池モジュールは直達光の多い砂漠地帯で使用され、太陽電池セルはＧａＡｓ系３接合型太陽電池セルが使用されエネルギー変換効率は４０％強と高い。直達光を集光するために太陽追尾機構が必要となる。太陽電池セルも太陽追尾機構も非集光型太陽電池モジュールに比べると高価であるが、面積当たり発電量を大きくすることで太陽電池システムの一つの地位を築いている。一方で非集光型太陽電池モジュールにはシリコン系やＣＩＳ系太陽電池が使用され、エネルギー変換効率は１５−２３％と低いが、前述のＧａＡｓ系に比較すると低価格であり、シリコン単結晶太陽電池セルの価格はＧａＡｓ系３接合型太陽電池セルの１／１００程度と見られている。【０００３】    日本は砂漠地帯と違って散乱光の比率（約４０％を占める）が高いため、直達光だけを利用する集光型太陽電池モジュールは普及していない。これは経済性（システムの価格や面積当たりの発電量など）にメリットを見いだせないからである。しかし日本の気候で発電量を大きく増やす技術対策は頭打ちになっていることもある。例えば地上に降り注ぐエネルギー１０００Ｗ／ｍ２を基準にすると非集光型太陽電池モジュールでは２００Ｗ／ｍ２前後の発電量となる。これを３００Ｗ／ｍ２に上げようとすると、非集光型太陽電池モジュールでは３０％以上のエネルギー変換効率が必要となる。一方で集光型太陽電池モジュールでは、約６００Ｗ／ｍ２の直達光エネルギーを変換するので５０％以上のエネルギー変換効率が必要となる。ただしＧａＡｓ系３接合型太陽電池セルを固定型パネルで使えば３００Ｗ／ｍ２は実現できるが、経済的にも資源的にも成立しない。経済性を考慮した効率向上を目指す研究（例えば特許文献２）は進められているが、これらはいずれも実用化されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−６２９３１号
【特許文献２】ＷＯ２０１３／０５８２９１号国際公開パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  経済性を十分考慮した低価格で面積当たりの発電量を大きくできる、簡易な構成の太陽電池システムを提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するために、本発明は太陽に面する側に透明性を有する集光型太陽電池モジュールを配置し、その下に重ねて非集光型太陽電池モジュールを配置して一つのパネルとし、このバネルを複数枚配置したアレイを太陽光追尾するようにした太陽電池システムを構成する。【０００７】  こうすることにより散乱光の多くが集光型太陽電池モジュールを透過して非集光型太陽電池モジュールに照射される。直達光の多くは集光型太陽電池モジュールで電力に変換され、散乱光の多くは非集光型太陽電池モジュールで電力に変換され、最終的にこれらは合算されて面積当たりの発電量を大きくする。【０００８】  低価格なシステムを提供するために本発明では、集光型太陽電池モジュールは、少なくとも集光体を複数個形成されたパネルサイズのシートと接着材シートと太陽電池セルが実装された回路基板シートと接着材シートを順に重ねて熱処理を行い、前記接着材シートを溶融・固化させて集光型太陽電池モジュールを形成する。【０００９】  さらに太陽電池セルの回路基板への実装においては、複数個の太陽電池セルは予め回路基板上の実装配置に合わせたポケット配置のトレイに収納され、吸着基板で収納された太陽電池セルを一括して吸着して取り出した後、回路基板の実装予定域に複数個を一括して載置して実装する手順を、パネルサイズの回路基板シートに繰り返し行うことを特徴としている。【００１０】  こうすることにより低価格な集光型太陽電池モジュールを製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】  本発明では、集光型太陽電池モジュールでの発電量が２４０Ｗ／ｍ２（直達光６００Ｗ／ｍ２に対して現行の太陽電池セルのエネルギー変換効率４０％を想定）とし、非集光型太陽電池モジュールの発電量を６０Ｗ／ｍ２（透過散乱光に対する面積当たりの発電効率を約１５％）とすれば合算して３００Ｗ／ｍ２の発電量が可能となるシステムが得られる。非集光型太陽電池モジュールにおいて約１５％の発電効率は実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の太陽電池システムの外観を示す図。
【図２】本発明の太陽電池システムの一つのパネルを抜き出した図。
【図３】（ａ）本発明の太陽電池システムにおける集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電モジュールの構成を示す図。（ｂ）本発明に係る集光型太陽電池モジュールの部分を示す図。
【図４】（ａ）本発明に係る集光型太陽電池モジュールの部分平面図。（ｂ）その部分断面図。
【図５】本発明に係る集光型太陽電池モジュールに実装される太陽電池セルと金属端子の模式図。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は回路基板に太陽電池セルが実装される工程を示す図。
【図７】本発明に係る集光型太陽電池モジュールの製作を説明する図。
【図８】本発明に係る集光型太陽電池モジュールの製作を説明する図。
【図９】（ａ）トレイに収納された太陽電池セルを吸着板に吸着する図。（ｂ）吸着板に吸着された太陽電池セルを回路基板に実装する図。
【図１０】（ａ）本発明に係る集光型太陽電池モジュールの回路基板のシートを示す図。（ｂ）回路基板のシートの一部を抜き出した図。（ｃ）回路基板のシートの一部に対応した太陽電池セルのトレイを示す図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】（構成について）  本発明の実施の形態を図１から図３（ａ）（ｂ）により説明する。図１は太陽追尾機構（一軸あるいは二軸追尾機構）を有した太陽電池システム１であり、例えば６枚のパネル２がアレイ状に並べられている。一枚のパネル２は図２に示すものであり、これは図３（ａ）に示すように二つのパネルから構成されている。一枚は集光型太陽電池モジュール３であり、もう一枚は非集光型太陽電池モジュール４である。集光型太陽電池モジュールは透明性があり、散乱光は透過されて非集光型太陽電池モジュールに照射されて発電する。直達光は集光型太陽電池モジュールに入射して発電する。集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電池モジュールでは発生電圧が異なるので電気系統は最後に電力合成するまでは独立であることが必要である。電力合成にはＤＣ−ＤＣコンバージョンを使用していずれかの電圧を調整してから並列に電力合成し、ＤＣ−ＡＣ変換する。あるいはＤＣ−ＡＣ変換せずに蓄電池に蓄電する。【００１４】  集光型太陽電池モジュール３の一部５は図３（ｂ）に示す外観である。集光体６と太陽電池セルが実装された回路基板７から成るが、さらに表面側にはカバーガラス、裏面側にはバックシートが重ねられるがこれらは省略している。なお本発明で使用するバックシートは透明であることが必要である。ガラスシートか透明樹脂シートを使用するのが良い。非集光型太陽電池モジュールは単結晶シリコン、多結晶シリコン、ＣＩＳ、ＣＩＧＳ、ペロブスカイトなどが使用できる。裏面からも受光して発電する構成が好ましい。集光体６は透明樹脂を成型してシート状にしたものを使用する。透明樹脂はエポキシ、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合）、シリコーンなどが使用でき、なかでもシリコーンは耐候性の面で好適である。【００１５】  図３（ｂ）の部分外観図を平面図と断面図で示したのが図４（ａ）と（ｂ）である。（ａ）には回路基板７に配線パターン１０が形成され、（ｂ）に示すように太陽電池セル８が実装される。太陽電池セル８には集光体６より太陽光が焦点化されて照射される。そのため照射領域、つまり太陽電池セル８の温度は上昇する。太陽電池セルが温度上昇するとエネルギー変換効率が低下する、すなわち発電量が低下するので放熱が必要となる。このために放熱体１２を設ける。放熱体１２は金属板が簡便であり、回路基板１１に形成した貫通孔で太陽電池セルが実装された配線パターン１０に接続するのが効果的である。貫通孔に金属を充填して形成したものはサーマルビアと呼ばれる。ただし回路基板が厚さ１００μｍ以下の透明フィルムや透明薄膜シート（透明ポリイミド膜や超薄板ガラス）である場合、サーマルビアを設けなくても良い。また回路基板の透明性を可能な限り落とさないようにする場合、回路基板の裏面側にグラフェンシートを貼り付けるのでも良い。【００１６】  図４（ａ）に示す太陽電池セル８には金属端子９が形成される。この部分を拡大したものが図５である。金属端子９は表面側が平坦な金属体であり、ワイヤや金属箔のようなものは使用されない。詳細は製法のところで説明するが、太陽電池セル８は予め金属端子９が接合された状態（１３）でピックアップされて回路基板に実装するために強��な接合１３と表面が平坦な金属体を必要としている。金属端子の材質は銅、銅合金が好ましいが特に限定されない。【００１７】  集光型太陽電池モジュールに使用する太陽電池セルは集光時のエネルギー変換効率の高い素子が良く、特に４０％以上が好ましい。直達光が６００Ｗ／ｍ２とすると２４０Ｗ／ｍ２以上が期待される。現状の技術ではＧｅ基板にＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅを成長させた３接合型の化合物半導体が使用できる。集光型太陽電池モジュールに入射する散乱光が多く透過するためには、太陽電池セルのサイズを小さくして放熱板を小さくするのが良い。例えば太陽電池セルは１〜３ｍｍ□、集光倍率は１００倍から３００倍程度であれば限られたサイズの放熱体による冷却でも問題ない。放熱体は厚さ０．１ｍｍから１ｍｍ程度のアルミや銅などの金属板が好ましい。また効率よく放熱するためには、サーマルビアを形成し、さらに集光型太陽電池モジュールのバックシートを薄くするのが良い。ただしバックシートが数十μｍの厚さであればサーマルビアは無くても良い。さらに集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電池モジュールの間は空気の出入り、流れがあるように非密閉であることが放熱効果を高めることになる。【００１８】（製法について）  日本において集光型太陽電池モジュールが普及していない原因に散乱光の多い気候が一因であるが、一方で価格もある。前述したように２４０Ｗ／ｍ２と言う発電量は非集光型太陽電池モジュールの発電量（約２００Ｗ／ｍ２）を超えているからである。低価格で提供できれば普及し易くなる。本発明での集光型太陽電池モジュールは放熱や散乱光の透過の点で太陽電池セルは小さくしており、セルの価格も低く抑えられる。本発明では低価格を専ら製法で実現しようとするものである。【００１９】  図６（ａ）〜（ｄ）は回路基板の形成と太陽電池セルの実装を示している。（ａ）は回路基板１１に電極パターン１０を形成したものである。回路基板は透明度の高いガラスや樹脂フィルムを使用し、これに厚膜印刷するのが良い。厚膜印刷はスクリーン印刷で行うが、印刷材はガラス用低温焼結性銀ペーストが好適である。このペーストにはガラスフリットが分散されており、ガラスフリットがガラスや樹脂に結合する。焼結温度は３００℃〜３５０℃であるため、透明樹脂フィルムはポリイミドフィルムが好適である。【００２０】  図６（ｂ）はサーマルビアを形成する場合の簡易な方法を示している。回路基板の穴あけはエンドミル、レーザー、ウォータージェット、サンドブラスト法などが使用できる。（ｃ）において放熱体１２を形成するが、貫通孔に金属を充填しながら放熱体を形成するには前述のガラス用低温焼結性銀ペーストを使用したスクリーン印刷が好適である。（ｄ）では図５に示す金属端子付き太陽電池セルを実装するが、その前に接合材を実装領域にスクリーン印刷しておく。接合材は低温焼結性銀ペースト、低温共晶半田（Ｓｎ−Ａｇ系）が好ましい。接合温度は２００℃程度である。本発明ではサーマルビアを設けずに、放熱体を回路基板の裏面側に貼り付けることでも良い。【００２１】  図７、図８に集光型太陽電池モジュールの最終工程を示しており、シート状の各部品を重ね合わせて接着剤シート��溶融・固化して固めている。上から順にカバーガラス１５、接着剤シート１６、集光体成型シート１７、接着剤シート１６、太陽電池セルが実装された回路基板シート７、接着剤シート１６、バックシート１８を重ね合わせて熱処理して接着剤シートを溶融・固化する。接着剤シートはＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合）樹脂、バックシートはガラスシートか透明樹脂シートであり、１ｍｍ以下の薄板か薄膜であることが好ましい。放熱体（図４（ｂ）、図６（ｃ）の１２）はバックシートに接して大気冷却されるからである。なおバックシートは耐湿性を上げるためにアルミ箔を挟む場合があるが、本発明では散乱光を透過させるため使用できない。【００２２】  図６（ｄ）に金属端子付き太陽電池セルの実装を示したが、面積当たりの個数は、約３，３００個／ｍ２（集光倍率＝３００倍、太陽電池セル＝１ｍｍ□）となり、３ｍ２の面積のパネルだと約１０ｋｐを処理する必要がある。大変な数量である。本発明では低価格、スループット向上を目的に転写載置と言う方法を採る。【００２３】  図９（ａ）（ｂ）に転写載置法を示すが、（ａ）で太陽電池セル（金属端子付き）２２はトレイに収納されている。トレイはトレイの基台２０にフレーム２１を付けて収納ポケットを構成するが、ポケットは太陽電池セルよりも大きくするためポケット内の端に寄せて整列させる。これを吸着板１９で吸着し、回路基板１１に実装する。トレイに整列させた太陽電池セルは回路基板の実装予定域に座標が合っている必要がある。図１０（ａ）は集光型太陽電池モジュールの回路基板シート２３を示すが、その一部２４が（ｂ）に示す回路基板１１である。太陽電池セルの実装予定域１２は（ｃ）に示すトレイのポケット２５に位置が合うようにしている。こうすることにより吸着板に吸着された太陽電池セルは一括して回路基板に転写載置することが可能となる。これをパネルサイズとなる回路基板シート上で繰り返し転写載置していく。【００２４】  吸着板１９は多孔質材を使用するのが好ましい。多孔質材は金属、セラミック、樹脂などの材料で製作されるが材料は特に問わない。さらにトレイ（図９（ｂ））の基台２０も多孔質材を使用するのが好ましい。トレイのポケット内に不揃いで収納された太陽電池セルを整列させる必要がある。整列方法は以下である。多孔質材に空圧を印可させることにより太陽電池セルは浮上してシフトし易くなる。その状態でトレイを傾けたり、あるいはわずかな振動を掛けて傾けたりすることで一様にポケットの端に整列する。その状態で吸引すれば太陽電池セルは整列固定される。吸着板で吸着する時には吸引を切れば良い。転写載置法を説明する図９、図１０では２５個の太陽電池セルの一括載置の例を示した。１００個の太陽電池セルの転写載置だと、前述の１０ｋｐの処理では１００回の繰り返し転写載置となる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  本発明では集光型太陽電池モジュールと非集光型太陽電池モジュールを重ねて使用するという簡単な方法により面積当たりの発電量を向上させることができる。ただし集光型太陽電池モジュールを低価格に提供できなければ実用的価値を持たない。低価格で製造できる構造及び製法を合わせて提案することで、従来技術には無い簡易で高性能な発電システムが提供できる。
【符号の説明】
【００２６】  １    本発明に係る太陽電池システム  ２    太陽電池システムの一枚のパネル  ３    集光型太陽電池モジュールの一枚のパネル  ４    非集光型太陽電池モジュールの一枚のパネル  ５    集光型太陽電池モジュールの部分外観  ６    集光体  ７    回路基板  ８    太陽電池セル実装予定域  ９    金属端子１０    電極パターン１１    回路基板１２    放熱体１３    接合部１４    穴あけ１５    カバーガラス１６    接着材シート１７    レンズ成型樹脂シート１８    バックシート１９    吸着板２０    トレイ基台２１    フレーム２２    太陽電池セル２３    回路基板シート２４    回路基板シートの部分２５    トレイのポケット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2018190945.tif 000011
【図１０（ａ）（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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