JP5068854B2 - 太陽電池モジュール及び光源モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも一方の面に形成された凹凸構造を有し、光の回折、散乱、屈折、或いは反射作用によって特定方向に光を偏向させ、従来においては損失されていた光を再利用することができる光再利用シートが用いられた太陽電池モジュール及び光源モジュールに関する。
近年、太陽電池モジュールの普及に伴って、太陽電池モジュールが様々な分野で利用されている。
例えば、電卓等の小型電子機器に搭載される比較的小さな機器に太陽電池モジュールが用いられたり、家庭用として住宅に太陽電池モジュールが取り付けられたり、大規模な発電施設に大面積の太陽電池発電システムが用いられたり、更には人工衛星の電源として太陽電池モジュールが用いられている(例えば、特許文献1参照)。
このような太陽電池は、主に光が照射される面積に比例して発電量が増加する。
従って、発電効率を向上させるには封止技術、製膜技術等の製造技術を改善することに加え、いかにして太陽電池モジュールの開口率(全面積に対する発電可能な面積の割合)を大きくするかが重要な課題である。
また、一般に、太陽電池においては、使用材料の種類として、結晶シリコン系、アモルファスシリコン系、有機化合物系などに分類され、更に、現在市場で多く流通している結晶シリコン系の太陽電池は、単結晶シリコン型及び多結晶シリコン型、非晶質シリコン型に分類される。
単結晶シリコン型又は多結晶シリコン型の太陽電池は、他の太陽電池に対し、基板の品質がよいため、発電効率を高めることが比較的容易であるという長所を有する。
しかしながら、単結晶シリコン型又は多結晶シリコン型の太陽電池は、材料コストの占める割合が高いという問題がある(シリコンのコストが高い)。
また、太陽電池セルをモジュールに貼り付けるためのコストも、製造コストに加算される。
そこで、太陽電池セルの構成部材であるシリコンの量が少なく、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の技術により、成膜することができる薄膜シリコンの太陽電池セルを用いる技術が提案されている。
しかし、上述の方式は特に赤外の光が薄膜シリコンの太陽電池セルを透過しやすいため光の吸収率が低い。
そこで、光の利用効率を上げるために、あえて入射する光を散乱させて、薄膜シリコンの太陽電池セルを透過する光の光路長を稼ぐことにより光の利用効率を向上させる構造が提案されている。
一般に、非晶質シリコン太陽電池には、2種類の構造が知られている。
第1の構造として、ガラス等の透光性基板上に、SnO又はITO(酸化インジウムスズ)等の透明電導膜が形成され、透明電導膜上に非晶質半導体(Si)のp層、i層、n層がこの順に積層された構造が知られている。
また、この構造においては、p層、i層、及びn層からなる積層体上に透明導電膜及び裏面電極が順次に形成されている。
第2の構造として、金属基板電極の上に、非晶質半導体(Si)のn層,i層,p層がこの順に積層されて光電変換活性層が形成され、光電変換活性層上に透明電導膜及び裏面電極が積層された構造が知られている。
特に、第1の構造においては、次の利点を有する。
具体的に、非晶質半導体をp−i−n層の順に形成するために、透光性絶縁基板を太陽電池のベース基板として機能させることができると共に、太陽電池の表面を被覆するカバーガラスとして機能させることができる。
また、耐プラズマ性を有するSnO等からなる透明電導膜が開発されたために、透明電導膜上に非晶質半導体からなる光電変換活性層をプラズマCVD法で形成することができる。
このような利点を有するため、上記の第1の構造は、現在多く用いられている。
なお、非晶質半導からなる光電変換活性層を形成する方法として、原料ガスをグロー放電分解することによるプラズマCVD法、又は光CVD法による気相成長法を用いることができる。
これらの方法を用いることにより、大面積の薄膜を形成できる。
また、非晶質Si太陽電池は、100℃〜200℃程度の比較的低温で形成できる。
そのため、非晶質Si太陽電池を形成するために用いられる基板としては、様々な材質の基板を用いることが可能である。
通常、よく用いられる基板はガラス基板又はステンレス基板である。
また、非晶質Si太陽電池においては、光を電気に変換する変換効率が最大となるときのシリコンの光吸収層の膜厚が500nm程度である。
そのため、変換効率を向上させるには、光吸収層の膜厚内で光の吸収量を増大させることが重要である。
変換効率を向上させるために、ガラス基板上の表面に凹凸を有する透明導電膜を形成したり、ステンレス基板上の表面に凹凸を有する金属膜を形成したりすることにより、従来、光吸収層中における光の光路長を増加させている。
このような方法を用いて製造された太陽電池においては、光吸収層中における光路長が増加されており、光吸収層の表面に凹凸が形成されていない平坦な基板上に非晶質Si太陽電池が形成された構造と比較して、光の利用効率が顕著に向上する。
ところで、ガラス基板の表面上に凹凸を形成する一般的な方法としては、常圧CVD法を用いて、透明電極であるSnO膜を形成する方法が挙げられる。
また、ステンレス等の金属基板上に凹凸を形成する方法としては、Agを蒸着法又はスパッタリング法により形成する際に、形成条件を調整したり、Agの形成後に熱処理を行ったりする方法が用いられていた。
上述のような薄膜太陽電池は、透光性絶縁基板の上に、透明導電膜、水素化アモルファスシリコンカーバイド(a−SiC:H)p層、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)i層、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)n層、透明導電膜、及び裏面電極が順次形成された構造を有する。
そして、前述のようにして、ガラス基板の表面上に凹凸形状が形成され、これによりガラス基板の表面の上部に積層された透明導電膜、光電変換活性層、及び透明導電膜の各層が凹凸構造を有する。
薄膜太陽電池等の半導体素子を可撓性基板或いは軽量基板上に形成する場合、高い耐熱性を有するポリイミド樹脂が用いられてきた。
このような樹脂に凹凸を形成する方法は、特許文献2等に開示されている。
また、特許文献3には、V溝の周期構造により、光を再帰反射し、光の利用効率を上げるような技術が開示されており、V溝頂角は、50度から90度が望ましいことが開示されている。
また、V溝の周期のピッチとしては、10μmから20μmが望ましいことが開示されている。
また、太陽電池セル401の配置間隔を狭くするとリーク電流が生じてしまう。
そのため、互いに隣り合う太陽電池セル401の間の領域(間隔G)が必要となる。
例えば、図39に示すように、太陽電池モジュール400の裏面に裏面部材402が配置された構造が知られている(特許文献4)。
この構造によれば、太陽電池モジュール400に入射する光H0のうち、互いに隣接する太陽電池セル401の間の領域に入射する光H1を、裏面部材402にて光H1を反射或いは散乱させ、光H2を得ている。
そして、光H2を太陽電池セル401に入射させることにより、光を再利用している。
しかしながら、このような構造においては、十分な発電効率が得られていない。
なお、図39において、符号403は充填層であり、この充填層403内には、複数の太陽電池セル401が一定の間隔を離して配列されている。
特開2001−295437号公報 特開平4−61285号公報 特開平11−274533号公報 特開平11−307791号公報
上述のように、従来の太陽電池モジュールの単位面積当たりの発電効率を上げようという要望は多いが、損失されている光があるため、十分な発電効率が得られていない。
また、上記従来の方法においては、隣り合う太陽電池セルの間の領域に入射した光を裏面材で反射させるなどし、損失される光を再利用している。しかしながら、この方法においては、十分に損失光を再利用するに至っていない。そのため、この損失光をより確実に再利用してさらなる発電効率の向上を図ることが強く望まれている。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであって、従来においては損失されていた光を有効に再利用することによって、光の利用効率を向上できる光再利用シートが用いられた太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
特に、本発明は、光の利用効率向上させるため、太陽電池セルの幅、互いに隣接する太陽電池セルの隙間Gの間隔、光再利用シートの位置、太陽電池セルの位置、太陽電池モジュールの厚み、及び最適な凹凸形状を有した光再利用シートを用いた太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
更に、本発明は、LED又はEL素子等の発光素子の光を再利用する上記の光再利用シートを用いた光源モジュールを提供することを目的とする。
上記の目的を達するために、本発明の第1態様の太陽電池モジュールは、太陽電池モジュールであって、光が入射する前面板と、前記前面板を透過した光が透過する充填層と、受光面と前記受光面とは反対の裏面とを有し、前記充填層によって固定され、前記充填層から透過した光を前記受光面から受光して光を電気に変換する太陽電池セルと、前記太陽電池セルの前記裏面に対向するように配設され、互いに隣接する前記太陽電池セルの間を透過した光を反射し前記光を前記太陽電池セルに受光させるべく前記太陽電池セルの横方向のエッジに対して斜め方向をなすようにプリズムが配列された凹凸形状の反射面を有する光再利用シートとを含み、前記光再利用シートは、太陽電池セルの裏面側に配設されて太陽電池モジュールに入射した光を前記太陽電池セルに入射させるように特定方向に反射させるために前記反射面が次式を満たすように形成されている。
Figure 0005068854
ここで、太陽電池セルの横方向寸法はLxで表され、太陽電池セルの縦方向寸法はLyで表され、反射面の凹凸形状方向と太陽電池セルの横方向のエッジとがなす角度はφで表され、隣り合う太陽電池セルの間を透過し、光再利用シートで反射して太陽電池セルの受光面に入射する光の最大の幅はAで表されている。
本発明の第1態様の太陽電池モジュールの光再利用シートにおいては、前記太陽電池セルの前記横方向寸法Lxと前記縦方向寸法Lyが同等の場合、又は長辺が短辺の2倍以下の場合に、φ=45度±20度を満たすように前記反射面が形成されていることが好ましい。
本発明の第1態様の太陽電池モジュールの光再利用シートにおいては、前記太陽電池セルの前記横方向寸法Lxと縦方向寸法Lyとが異なり、長辺が短辺の2倍以上の場合に、φ=60度±20度(Lx<Ly)又はφ=30度±20度(Ly<Lx)を満たすように前記反射面が形成されていることが好ましい。
本発明の第3態様の光源モジュールは、光を透過し、射出面を有する充填層と、発光面と前記発光面とは反対の裏面とを有し、前記充填層によって固定され、電気を光に変換し、前記光を前記発光面から発光させて、前記光を前記充填層の射出面で反射させる発光素子と、前記発光素子の前記裏面に対向するように配設され、前記充填層の前記射出面で反射された光を再び前記射出面に向けて反射させるべく前記発光素子の横方向のエッジに対して斜め方向をなすようにプリズムが配列された凹凸形状の反射面を有する光再利用シートとを含み、前記光再利用シートとして、上記の第1態様の光再利用シートが用いられている。
本発明においては、従来においては損失されていた光を有効に再利用することによって、光の利用効率を向上でき、太陽電池モジュールの発電効率を向上させることができる。
また、前記光再利用シートを用いることで、LED又はEL素子等の発光素子の光が再利用され、光の利用効率が向上し、発光効率の良い発光素子を提供することができる。
本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 入射角度に対する反射率の変化を示す図である。 太陽電池モジュールの一例を示す正面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す正面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す正面図である。 再利用シートの回転角度の変化するとき、太陽電池セルに入射する光の領域の面積を示す図である。 太陽電池セル寸法に対する再利用シートの最適な回転角度を示す図である。 太陽電池セル寸法に対する最適な回転角度に設置した場合の再利用効率を示す図である。 太陽電池モジュールの一例を示す正面図である。 再利用シートの回転角度を変化させた場合における太陽電池セルに入射する光の領域の面積を示す図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の光源モジュールを示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 入射角度に対する反射率の変化を示す図である。 光再利用シートの一例を示す断面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 太陽電池セル間の隙間のうち太陽電池セルに入射しない光の領域の長さの変化を示す図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の光再利用シートの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の光源モジュールを示す断面図である。 従来の裏面材を用いた太陽電池モジュールを示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
(第1実施形態)
以下、図1から図19を参照し、本発明の第1実施形態に係る光再利用シート及び太陽電池モジュール並びに発光素子について説明する。
ここで、第1実施形態は、特定方向に光を偏向(反射)して、従来損失となる光を再利用するために用いられる光再利用シート及びこれを備えた太陽電池モジュールに関する。
第1実施形態の太陽電池モジュール200は、図1に示すように、前面板10と、充填層11と、光再利用シート12を備えて構成されている。
前面板10は、太陽電池セル1を衝撃、汚れ、水分の浸入等から保護し、太陽光又は照明光などの光源Sの光を透過する板であり、光の透過率が高い透明な材料を用いて形成されている。
これにより、光源Sの光が太陽光・照明光の側Fから入射面200aに垂直に入射する光H0は、前面板10に入射してこの前面板10を透過し、充填層11に射出する。
なお、入射面200aの法線NGは、平面P上に前面板10を水平に置いた状態における平面Pの法線と平行な方向であり、入射面200aに垂直に入射する光H0は、この法線NGに平行して太陽電池モジュール200に入射する光のことである。
また、前面板10は、強化ガラス、サファイアガラス等のガラスあるいはPC(ポリカーボネート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等の樹脂シートを用いて形成されている。
更に、前面板10が強化ガラスであれば、前面板10の厚さは約3〜6mmに設定される。前面板10が樹脂シートであれば、前面板10の厚さは100μm〜3000μmに設定される。
このような前面板10を射出した光が入射する充填層11は、太陽電池セル1を封止する層である。
そして、前面板10に入射した光H0は、充填層11を透過し、太陽電池セル1へと射出される光H10となり、その一部は光再利用シート12に射出される光H1となる。
また、この充填層11は、入射した光H0を透過させるため、例えば難燃性のEVA(エチレン・ビニル・アセテート)などの光線透過率が高い材料を用いて形成されている。
太陽電池セル1は、光電効果により受光面1aに入射した光を電気へと変換する機能を有する。単結晶シリコン型太陽電池、多結晶シリコン型太陽電池、薄膜シリコン型太陽電池、CdTe(Cd・Teの化合物)系、CIGS(Cu・In・Ga・Seの化合物)系等の化合物薄膜太陽電池など多くの種類の太陽電池セルが用いられる。
また、この太陽電池セル1は、複数個を電極で接続して、太陽電池モジュール200を形成している。
そして、充填層11から太陽電池セル1に入射した光H10は、この太陽電池セル1で電気へと変換される。
ここで、通常、入射面200aに対し斜めに入射した光は、垂直入射の光H0と比較して入射面200aで反射する割合が多く、太陽電池セル1に直接的に入射する光が少なくなって、発電に利用できる光が少なくなる。
このため、入射光H0が、入射面200aに略垂直に入射するとき、最も発電効率が高くなる。
一方、第1実施形態の光再利用シート12は、図1及び図2に示すように、構造層13と反射層14と基材15とを備えて構成されている。
構造層13は、一面が凹凸状に形成されている。
構造層13に凹凸形状を形成する方法としては、反射面12aの凹凸形状に応じた面を形成した型に熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂、又は電子線硬化型樹脂等を塗布または注入し、その上に基材15を配置して、硬化処理後にスタンパから離型する方法が挙げられる。
ここで、光再利用シート12は、図3に示すように、基材15を用いずに構造層13と反射層14とで構成してもよい。このような光再利用シート12の作製方法としては、型を用いたプレス法、キャスティング法、射出成形法等によって成形する方法が挙げられる。
この方法によれば、シート形成と同時に、凹凸形状を形成することが可能である。
反射面12aを形成する型としては、機械切削により作製された型を用いることができる。
また、上述の型をもとに更に複版した型を用いることができる。
この場合、凹凸形状の先端形状は、凹凸形状の先端に傷が付くのを防止するため、凹凸形状の先端が丸みを帯びた形状であることが望ましい。
また、反射面12aの凹凸形状は周期構造を有していてもよい。
更に、反射面12aの凹凸形状は三角形、台形、多角形のプリズム状の形状、又はシリンドリカルレンズのような各種レンズ・プリズム形状、あるいは半球状でも良い。
このとき、反射面12aの凹凸形状の構造の周期のピッチとしては、300μm以下であることが望ましく、より望ましくは、200μm以下である。
すなわち、構造の周期のピッチが300μmより大きい場合には、反射面12aを成型するときの凹凸形状の先端部分の型に樹脂が十分に入らないため成型性が悪い。
一方、構造の周期のピッチが200μm以下であれば、比較的粘度の高い樹脂でも成型が可能となる。
また、構造の周期のピッチが小さいと型の作製が難しくなるため、10μm以上であることが望ましく、より望ましくは、50μm以上であることが望ましい。
すなわち、構造の周期のピッチが10μmより小さいと、型を切削する時間が長くタクトが落ち生産効率が悪い。
構造の周期のピッチが50μmより小さいと、反射面12aを成形する際に樹脂がうまく凹凸形状の溝に入らず凹凸形状の先端部分の形状を型どおり作製することができない。
更に、構造層13の厚さは、特には限定されないが、凹凸形状の構造の高さを思案すると、例えば30μm以上、500μm以下である。
なお、上述の製造法は、以下の材料との適性により適宜選択するのが良い。
構造層13を形成するポリマー組成物中には、ポリマー組成物の他に例えば散乱反射体、硬化剤、可塑剤、分散剤、各種レベリング剤、紫外線吸収剤、抗酸化剤、粘性改質剤、潤滑剤、光安定化剤等が適宜配合されてもよい。
また、上述のポリマー組成物としては、特に限定されず、例えばポリ(メタ)アクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリメチルペンテン系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、アクリロニトリル―(ポリ)スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル―ブタジエン―スチレン共重合体(ABS樹脂)等のポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアリールフタレート系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられ、これらのポリマーを1種又は2種以上混合して使用することができる。
ポリウレタン系樹脂の原料であるポリオールとしては、例えば水酸基含有不飽和単量体を含む単量体成分を重合して得られるポリオール又は水酸基過剰の条件で得られるポリエステルポリオールなどが挙げられ、これらを単体で又は2種以上混合して使用することができる。
水酸基含有不飽和単量体としては、(a)例えばアクリル酸2―ヒドロキシエチル、アクリル酸2―ヒドロキシプロピル、メタクリル酸2―ヒドロキシエチル、メタクリル酸2―ヒドロキシプロピル、アリルアルコール、ホモアリルアルコール、ケイヒアルコール、クロトニルアルコール等の水酸基含有不飽和単量体、(b)例えばエチレングリコール、エチレンオキサイド、プロピレングリコール、プロピレンオキサイド、ブチレングリコール、ブチレンオキサイド、1,4―ビス(ヒドロキシメチル)シクロヘキサン、フェニルグリシジルエーテル、グリシジルデカノエート、プラクセルFM―1(ダイセル化学工業株式会社製)等の2価アルコール又はエポキシ化合物と、例えばアクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、クロトン酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸との反応で得られる水酸基含有不飽和単量体などが挙げられる。
これらの水酸基含有不飽和単量体から選択される1種又は2種以上を重合してポリオールを製造することができる。
また、上述のポリオールは、アクリル酸エチル、アクリル酸n―プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n―ブチル、アクリル酸tert―ブチル、アクリル酸エチルヘキシル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n―プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸n―ブチル、メタクリル酸tert―ブチル、メタクリル酸エチルヘキシル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸シクロヘキシル、スチレン、ビニルトルエン、1―メチルスチレン、アクリル酸、メタクリル酸、アクリロニトリル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、酢酸アリル、アジピン酸ジアリル、イタコン酸ジアリル、マレイン酸ジエチル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、アクリルアミド、N―メチロールアクリルアミド、N―ブトキシメチルアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、エチレン、プロピレン、イソプレン等から選択される1種又は2種以上のエチレン性不飽和単量体と、上述の(a)及び(b)から選択される水酸基含有不飽和単量体とを重合することで製造することもできる。
ここで、水酸基含有不飽和単量体を含む単量体成分を重合して得られるポリオールの数平均分子量は1000以上500000以下であり、好ましくは5000以上100000以下である。
また、その水酸基価は5以上300以下、好ましくは10以上200以下、更に好ましくは20以上150以下である。
水酸基過剰の条件で得られるポリエステルポリオールは、(c)例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,3―ブタンジオール、1,4―ブタンジオール、1,5―ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、ヘキサメチレングリコール、デカメチレングリコール、2,2,4―トリメチル―1,3―ペンタンジオール、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール、グリセリン、ペンタエリスリトール、シクロヘキサンジオール、水添ビスフェノルA、ビス(ヒドロキシメチル)シクロヘキサン、ハイドロキノンビス(ヒドロキシエチルエーテル)、トリス(ヒドロキシエチル)イソシヌレート、キシリレングリコール等の多価アルコールと、(d)例えばマレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸、セバチン酸、アゼライン酸、トリメット酸、テレフタル酸、フタル酸、イソフタル酸等の多塩基酸とを、プロパンジオール、ヘキサンジオール、ポリエチレングリコール、トリメチロールプロパン等の多価アルコール中の水酸基数が前記多塩基酸のカルボキシル基数よりも多い条件で反応させて製造することができる。
上述の水酸基過剰の条件で得られるポリエステルポリオールの数平均分子量は500以上300000以下であり、好ましくは2000以上100000以下である。
また、その水酸基価は5以上300以下、好ましくは10以上200以下、更に好ましくは20以上150以下である。
ポリマー組成物のポリマー材料として用いられるポリオールとしては、上述のポリエステルポリオール、及び、上述の水酸基含有不飽和単量体を含む単量体成分を重合して得られ、かつ、(メタ)アクリル単位等を有するアクリルポリオールが好ましい。
ポリエステルポリオール又はアクリルポリオールをポリマー材料とすれば耐候性が高く、構造層3の黄変等を抑制することができる。
なお、このポリエステルポリオールとアクリルポリオールのいずれか一方を使用してもよく、両方を使用してもよい。
なお、上述のポリエステルポリオール及びアクリルポリオール中の水酸基の個数は、1分子当たり2個以上であれば特に限定されない。固形分中の水酸基価が10以下であると架橋点数が減少し、耐溶剤性、耐水性、耐熱性、表面硬度等の被膜物性が低下する傾向がある。
更に、構造層13を形成するポリマー組成物中に散乱反射体を反射性能、耐熱性能を向上させるため含有すると良い。
ポリマー組成物中に散乱反射体を含有することで、構造層13又は光再利用シート12の耐熱性を向上させることができ、かつ屈折率がポリマー組成物と大きく異なる材料を用いれば、光を反射させることができる。
なお、このようにして十分な反射率が得られる場合には、図4又は図5に示すように反射層(金属反射層)14を設けなくても良い。
この散乱反射体剤を構成する無機物としては、特に限定されない。無機物としては、無機酸化物を用いることが好ましい。
この無機酸化物には、シリカ等を用いることができ、シリカの中空粒子を用いることもできる。
また、ZnS等の金属化合物を用いることもできるが、この場合には、特にTiO、ZrO、Al等の金属酸化物が望ましい。
このうち、TiOは、屈折率が高く、分散性も得られやすいため好ましい。
更に、散乱反射体の形状は、球状、針状、板状、鱗片状、破砕状等の任意の粒子形状でよく、特に限定されない。
散乱反射体の平均粒子径の下限としては、0.1μmが好ましく、上限としては30μmが好ましい。
平均粒子径が0.1μmより小さいと光を十分に反射しない。
また、平均粒子径が30μmより大きいと粒子に起因する凹凸が表面にでてしまい、所望の凹凸形状を形成することが難しい。
散乱反射体のポリマー組成物100部に対する配合量の下限としては固形分換算で30部が好ましい。
一方、散乱反射体の上述の配合量の上限としては100部が好ましい。
これは、無機充填剤の配合量が30部より少ないと、充填層11から構造層12に入射する光H1を十分に反射することができない。
逆に、配合量が100部を越えると、成型性が悪い。
上述の散乱反射体としては、その表面に有機ポリマーが固定された材料を用いるとよい。
このように有機ポリマー固定の散乱反射体を用いることで、ポリマー組成物における分散性又はポリマー組成物との親和性の向上が図られる。
この有機ポリマーについては、その分子量、形状、組成、官能基の有無等に関して特に限定はなく、任意の有機ポリマーを使用することができる。
また有機ポリマーの形状については、直鎖状、分枝状、架橋構造等の任意の形状を採用することができる。
上述の有機ポリマーを構成する具体的な樹脂としては、例えば、(メタ)アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルおよびこれらの共重合体、又はアミノ基、エポキシ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基等の官能基で一部変性した樹脂等が挙げられる。
中でも、(メタ)アクリル系樹脂、(メタ)アクリル―スチレン系樹脂、(メタ)アクリル―ポリエステル系樹脂等の(メタ)アクリル単位を含む有機ポリマーを必須成分として有する材料が被膜形成能を有するため、好適である。
また、有機ポリマーを構成する具体的な樹脂は、上述のポリマー組成物と相溶性を有する樹脂が好ましく、従ってポリマー組成物と同じ組成を有する材料であることが最も好ましい。
上述のポリマー組成物としてはシクロアルキル基を有するポリオールが好ましい。
ポリマー組成物としてのポリオール中にシクロアルキル基を導入することで、ポリマー組成物の撥水性、耐水性等の疎水性が高くなり、高温高湿条件下での構造層13又は光再利用シート12の耐撓み性、寸法安定性等が改善される。
また、構造層13の耐候性、硬度、耐溶剤性等の塗膜基本性能が向上する。
更に、表面に有機ポリマーが固定された散乱反射体との親和性及び散乱反射体の分散性が更に良好になる。
また、ポリマー組成物中には硬化剤としてイソシアネートを含有するとよい。
このようにポリマー組成物中にイソシアネート硬化剤を含有することで、より一層強固な架橋構造となり、構造層13の被膜物性が更に向上する。
このイソシアネートとしては上述の多官能イソシアネート化合物と同様の物質が用いられる。
中でも、被膜の黄変色を防止する脂肪族系イソシアネートが好ましい。
なお、散乱反射体は、内部に有機ポリマーを包含していてもよい。
これにより、散乱反射体のコアである無機物に適度な軟度および靱性を付与することができる。
上述の有機ポリマーにはアルコキシ基が含有されていることが好ましく、その含有量は特に限定されないが、散乱反射体1g当たり0.01mmol以上50mmol以下が好ましい。
アルコキシ基により、ポリマー組成物との親和性、又はポリマー組成物中での分散性を向上させることができる。
上述のアルコキシ基は、微粒子骨格を形成する金属元素に結合したRO基を示す。
このRは置換されていてもよいアルキル基であり、微粒子中のRO基は同一であっても異なっていてもよい。
Rの具体例としては、メチル、エチル、n―プロピル、イソプロピル、n―ブチル等が挙げられる。
散乱反射体を構成する金属と同一の金属アルコキシ基を用いるのが好ましく、散乱反射体がコロイダルシリカである場合には、シリコンを金属とするアルコキシ基を用いるのが好ましい。
有機ポリマーを固定した散乱反射体の有機ポリマーの含有率については、特に制限されないが、散乱反射体を基準にして0.5質量%以上50質量%以下が好ましい。
また、図1及び図2に示すように、反射層14を用いて光再利用シート12を構成する場合には、その密接着性等を向上させるため、反射層14の蒸着対象面(構造層13の表面)に表面処理を施すとよい。
このような表面処理としては、例えば(a)コロナ放電処理、オゾン処理、酸素ガス若しくは窒素ガス等を用いた低温プラズマ処理、グロー放電処理、化学薬品等を用いた酸化処理、及び(b)プライマーコート処理、アンダーコート処理、アンカーコート処理、蒸着アンカーコート処理などが挙げられる。
これらの表面処理の中でも、反射層14との接着強度が向上し、緻密かつ均一な反射層14の形成に寄与するコロナ放電処理及びアンカーコート処理が好ましい。
上述のアンカーコート処理に用いるアンカーコート剤としては、例えばポリエステル系アンカーコート剤、ポリアミド系アンカーコート剤、ポリウレタン系アンカーコート剤、エポキシ系アンカーコート剤、フェノール系アンカーコート剤、(メタ)アクリル系アンカーコート剤、ポリ酢酸ビニル系アンカーコート剤、ポリエチレンアルイハポリプロピレン等のポリオレフィン系アンカーコート剤、セルロース系アンカーコート剤などが挙げられる。
これらのアンカーコート剤の中でも、反射層14の接着強度をより向上することができるポリエステル系アンカーコート剤が特に好ましい。
上述のアンカーコート剤のコーティング量(固形分換算)は、1g/m以上、3g/m以下が好ましい。
アンカーコート剤のコーティング量が1g/mより少ないと、反射層14の密着性向上効果が小さくなる。
一方、アンカーコート剤のコーティング量が3g/mより多いと、光再利用シート12の強度、耐久性等が低下するおそれがある。
なお、上述のアンカーコート剤中には、密接着性向上のために用いられるシランカップリング剤、ブロッキングを防止するために用いられるブロッキング防止剤、耐候性等を向上させるために用いられる紫外線吸収剤等の各種添加剤を適宜混合することができる。
添加剤の混合量としては、添加剤の効果発現とアンカーコート剤の機能阻害とのバランスから0.1重量%以上10重量%以下が好ましい。
上述の添加剤が、0.1重量%未満では、ブロッキングを十分に防止できず、耐候性が十分に得られず、10重量%より多いと、トップコート剤の機能を阻害してしまう。
一方、反射層14は、光再利用シート12に入射する光を反射する層であり、例えば構造層13の凹凸形状が形成された面に沿って金属を蒸着することで形成される。
反射層14を形成するために用いられる蒸着装置としては、構造層13に収縮、黄変等の劣化を招来することなく金属を蒸着することができれば特に限定されない。(a)真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンクラスタービーム法等の物理気相成長法(Physical Vapor Deposition法:PVD法)、(b)プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition法:CVD法)が採用される。
これらの蒸着法の中でも、生産性が高く良質な反射層4が形成できる真空蒸着法又はイオンプレーティング法が好ましい。
また、反射層14に用いられる金属としては、金属光沢を有しかつ蒸着が可能であれば特に限定されない。反射層14に用いられる金属としては、例えば、アルミニウム、銀、金、ニッケル、スズ、ジルコニウム等が挙げられる。
中でも、反射性が高く、緻密な反射層14が比較的容易に形成されるアルミニウムが好ましい。
なお、反射層14は、単層構造でもよく、2層以上の多層構造でもよい。
そして、反射層14を多層構造にした場合には、蒸着の際に懸かる熱負担の軽減により構造層13の劣化が低減され、更に構造層13と反射層14との密着性等を改善することができる。
また、このとき、金属膜の上に酸化金属層を設けても良い。
更に、上述の物理気相成長法及び化学気相成長法における蒸着条件は、構造層13又は基材15の樹脂種類、反射層14の厚さ等に応じて適宜設計される。
反射層14の厚さの下限としては、10nmが好ましく、20nmが特に好ましい。
一方、反射層14の厚さの上限としては、200nmが好ましく、100nmが特に好ましい。
反射層14の厚さが10nm下限より小さいと、充填層11から反射層14に入射する光を十分に反射することができない。
また、20nm以上の厚さであっても、上述の反射層14で反射される光は増えないため、20nmであれば十分な厚さといえる。
一方、反射層14の厚さが200nmの上限を超えると、反射層14に目視でも確認できるクラックが発生してしまう。
また、反射層14の外面には、トップコート処理を施すとよい。
このように反射層14の外面にトップコート処理を施すことで、反射層14が封止及び保護され、その結果、光再利用シート12のハンドリング性が良くなる。
また、反射層14の経年劣化も抑えられる。
上述のトップコート処理に用いるトップコート剤としては、例えばポリエステル系トップコート剤、ポリアミド系トップコート剤、ポリウレタン系トップコート剤、エポキシ系トップコート剤、フェノール系トップコート剤、(メタ)アクリル系トップコート剤、ポリ酢酸ビニル系トップコート剤、ポリエチレンアルイハポリプロピレン等のポリオレフィン系トップコート剤、セルロース系トップコート剤などが挙げられる。
トップコート剤の中でも、反射層14との接着強度が高く、反射層14の表面保護、欠陥の封止等に寄与するポリエステル系トップコート剤が特に好ましい。
上述のトップコート剤のコーティング量(固形分換算)は、3g/m以上、7g/m以下が好ましい。
トップコート剤のコーティング量が3g/mより小さいと、反射層14を封止及び保護する効果が小さくなるおそれがある。
一方、トップコート剤のコーティング量が上7g/mを超えても、上述の反射層14の封止及び保護効果があまり増大せず、かえって光再利用シート12の厚さが増大してしまう。
なお、上述のトップコート剤中には、密接着性向上のために用いられるシランカップリング剤、耐候性等を向上させるために用いられる紫外線吸収剤、耐熱性等を向上させるために用いられる無機フィラー等の各種添加剤を適宜混合することができる。
添加剤の混合量としては、添加剤の効果発現とトップコート剤の機能阻害とのバランスから0.1重量%以上10重量%以下が好ましい。
上述の添加剤が、0.1重量%未満では、密接着性、耐候性、耐熱性が十分に得られず、10重量%より多いと、トップコート剤の機能を阻害してしまう。
上述の光再利用シート12を構成する基材15は、合成樹脂を材料とするシート成形により形成されている。
基材15に用いられる合成樹脂としては、屋外に設置されることを鑑み、耐水性、紫外線に対する耐久性等の耐候性を有している材料が望ましい。例えばポリエチレンテレフタレート樹脂(PET樹脂)等のポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリメチルペンテン系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、アクリロニトリル−(ポリ)スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)、ポリ塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリ(メタ)アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアリールフタレート系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、リエチレンナフタレート系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、エポキシン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられる。
上述の樹脂の中でも、高い耐熱性、強度、耐候性、耐久性、水蒸気等に対するガスバリア性等を有した樹脂として、ポリイミド系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリ乳酸系樹脂が好ましい。
上述のポリエステル系樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等が挙げられる。
これらのポリエステル系樹脂の中でも、耐熱性、耐候性等の諸機能面及び価格面のバランスが良好なポリエチレンテレフタレートが特に好ましい。
上述のフッ素系樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体からなるペルフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(FEP)、テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(EPE)、テトラフルオロエチレンとエチレン又はプロピレンとのコポリマー(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂(PCTFE)、エチレンとクロロトリフルオロエチレンとのコポリマー(ECTFE)、フッ化ビニリデン系樹脂(PVDF)、フッ化ビニル系樹脂(PVF)等が挙げられる。
これらのフッ素系樹脂の中でも、強度、耐熱性、耐候性等に優れるポリフッ化ビニル系樹脂(PVF)、テトラフルオロエチレンとエチレン又はプロピレンとのコポリマー(ETFE)が特に好ましい。
上述の環状ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、a)シクロペンタジエン(及びその誘導体)、ジシクロペンタジエン(及びその誘導体)、シクロヘキサジエン(及びその誘導体)、ノルボルナジエン(及びその誘導体)等の環状ジエンを重合させてなるポリマー、b)環状ジエンとエチレン、プロピレン、4−メチル−1−ペンテン、スチレン、ブタジエン、イソプレン等のオレフィン系モノマーの1種又は2種以上とを共重合させてなるコポリマー等が挙げられる。
これらの環状ポリオレフィン系樹脂の中でも、強度、耐熱性、耐候性等に優れるシクロペンタジエン(及びその誘導体)、ジシクロペンタジエン(及びその誘導体)又はノルボルナジエン(及びその誘導体)等の環状ジエンのポリマーが特に好ましい。
なお、基材15の形成材料としては、上述の合成樹脂を1種又は2種以上混合して使用することができる。
また、基材15の形成材料中には、加工性、耐熱性、耐候性、機械的性質、寸法安定性等を改良、改質する目的で、種々の添加剤等を混合することができる。
この添加剤としては、例えば滑剤、架橋剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、充填材、強化繊維、補強剤、帯電防止剤、難燃剤、耐炎剤、発泡剤、防カビ剤、顔料等が挙げられる。
上述の基材15の成形方法としては、特に限定されず、例えば押出し法、キャスト成形法、Tダイ法、切削法、インフレーション法等の公知の方法が採用される。
また、基材15を用いる場合には、その厚さを25μm以上、500μm以下にすることが好ましく、250μm以下にすることが特に好ましい。
基材15の厚さが25μmより薄いと、紫外線硬化樹脂等の硬化収縮の影響により、構造層13の塗工加工際にカールが発生し、太陽電池モジュール200に組み込む際に不具合が発生する。
逆に、基材15の厚さが500μmを超えると、フィルム重量が増してしまい、太陽電池モジュール200の重量も増してしまう。
250μm以下であれば、より軽量の太陽電池モジュール200を実現できる。
また、基材15又は構造層13中に紫外線安定剤又は分子鎖に紫外線安定基が結合したポリマーを含有することも可能である。
この紫外線安定剤又は紫外線安定基により、紫外線で発生するラジカル、活性酸素等が不活性化され、光再利用シート12の紫外線安定性、耐候性等を向上させることができる。
この紫外線安定剤又は紫外線安定基としては、紫外線に対する安定性が高いヒンダードアミン系紫外線安定剤又はヒンダードアミン系紫外線安定基が好適に用いられる。
そして、上記構成からなる光再利用シート12を備えた第1実施形態の太陽電池モジュール200においては、図1に示すように、太陽電池セル1自体を透過した光、又は隣り合う太陽電池セル1の間(間隔G)に入射した光H1を凹凸構造の反射面12aで反射する機能を有する。
反射した光H2は前面板10と大気の間等の界面で再度反射し、太陽電池セル1の受光面1aに入射する光H3となって光電変換される。
これにより、光再利用シート12が無い構成と比較し、第1実施形態の太陽電池モジュール200は、光再利用シート12を備えることで、隣り合う太陽電池セル1の間(間隔G)を透過して従来損失となる光を反射し、この損失光を再度太陽電池セル1の受光面1aに入射させて、光利用効率の向上効果が得られる。
また、このとき、反射光H2の進む方向は、反射面12aの凹凸構造によって制御することができ、多くの光を受光面1aに入射させることが可能である。
ここで、反射面12aの凹凸構造についてその法線N0を用いて説明する。
なお、反射面12aの法線N0は、図6に示すように、反射面12a上の任意の一点での接平面に直交する直線である。
また、反射面12aの角度θは、反射面12aの法線N0とシート法線NBとの交差角度である。
通常、シート法線NBは、入射面200aの法線NGに対して平行になるように配置されるため、入射光H1は、シート法線NBに対して平行に入射する。
反射光H2の反射率は、図7に示すように、その入射面200aへの入射角度により大きく変化する。
また、臨界角θcを境として大きく反射率が変化することが知られている。
そして、この臨界角θcは、前面板10の屈折率をngとすると、式(1)で表され、この臨界角θc以上の角度で入射面200aに入射した光H2は、入射面200aで全反射される。
Figure 0005068854
また、充填層11の屈折率をne、反射光H2の法線NGに対する角度をθ2とすると、スネルの法則より、臨界角θcと反射光H2の法線NGに対する角度θ2の間には式(2)の関係が成り立つ。
Figure 0005068854
そして、これら式(1)と式(2)から、反射光H2の法線NGに対する角度θ2は式(3)となる。
Figure 0005068854
なお、充填層11が複数の層からなっていた場合、反射面12a上の材料の屈折率をN0とすると、上記と同様に、反射光H2の法線NGに対する角度θ2は式(4)となる。
Figure 0005068854
そして、このθ2は、反射面12aの角度がθのとき、式(5)となる。
Figure 0005068854
また、反射面12aの角度θが式(6)で表されるとき、反射光H2は、前面板10に全反射する。
Figure 0005068854
そして、光再利用シート12は、太陽電池セル1の間(間隔G)に入射した光H1を反射面12aで反射する機能を有する。このため、反射された光H2は、前面板10と大気の間の界面で再度反射され、太陽電池セル1の受光面1aに入射する光H3となり光電変換される。
これにより、光再利用シート12が無い構成と比較して光利用効率が向上する効果が得られることになる。
一方、この光再利用シート12による効果は、太陽電池セル1及び光再利用シート12の寸法・配置と入射光H1と射出光H2のなす角βの関係が適切な範囲である場合にのみ発揮される。
そして、太陽電池モジュール200は太陽電池セル1の2次元アレイを有する。このため、光再利用シート12を垂直方向、水平方向、または斜め方向で設置することが可能である。縦方向と横方向の間隔との関係を考慮しながら最適な角度で光再利用シート12を設置することにより、その効果を高めることができる。
以下に、図8Aから図13を参照し、上述の太陽電池セル1及び光再利用シート12の寸法・配置・回転角度として、太陽電池セル1間の間隔G、太陽電池セル1間の間隔Gのうち受光面1aに反射光H2が入射する領域A、太陽電池セル1の縦・横寸法LxとLyを変えた各場合に分けて説明する。
なお、図8Aから図13では、寸法・配置及び入射光H1と射出光H2のなす角βの関係の説明であるため、光再利用シート12の反射面12aの凹凸形状を図示していない場合がある。
図8Aは、上下(図に示しているy方向)に設置された太陽電池セル1間の間隔Gで、光再利用シート12の凹凸形状方向を太陽電池セル1同士の長方向の間隔に合わせている(図に示しているx方向)。
図8Bは、図8AのP−P’断面構造を表している。
太陽電池セル1真正面(+z方向)から入射した光の一部は、光再利用シート12に入射し、y方向(PP’とzを決める面内)に反射し、更に前面板10で再度反射して、太陽電池セル1に届く。
図9Aは、上下(図に示しているy方向)に設置された太陽電池セル1間の間隔Gで、光再利用シート12の凹凸形状方向が、太陽電池セル1同士の長方向の間隔に合わせることなく回転角度φ(反射面12aの凹凸形状方向と太陽電池セル1の横方向のエッジとがなす角度)で設置されている(図に示しているx方向からの角度)。
図9Bは、図9AのQ−Q’断面構造を表している。
Q−Q’の線は再利用シート20の回転角度φと垂直(90度)になっている。
太陽電池セル1同士間の間隔Gより、G’は大きくなっている。
ここでは、太陽電池セル1真正面(+z方向)から入射した光の一部が、光再利用シート12に入射し、y+φ方向(QQ’とzを決める面内)に反射し、更に前面板10で再度反射して、太陽電池セル1に届く。
なお、対称の関係があるため、回転角度φの範囲は式(7)で限られる。
Figure 0005068854
そして、図8Bと図9Bを比較すると、光再利用シート12の回転角度φにより、断面上では太陽電池セル1同士の間の間隔がGからG’に変化している。
すなわち、光再利用シート12の回転角度φにより太陽電池セル1同士の間に見える間隔は拡大し、光再利用シート12の効率が向上する可能性が高まる。
一方、太陽電池セル1の横・縦の寸法があるため、光再利用シート12に反射された光を再度太陽電池セル1に入射させることができない可能性もある。
このため、以下に、再度入射可能な面積割合を数式で求め、その評価を行うことにより最適な条件を求める。
図10は、光再利用シート12の効率が最大となるように太陽電池セル1の間の間隔Gを十分広くの例を示している。
すなわち、隣り合う太陽電池セル1同士が光の再利用可能な領域に干渉しないように配置されている。
この図10において、反射光H2が太陽電池セル1の受光面1aに入射する領域Aと、反射光H2が入射する太陽電池セル1側の太陽電池セル1の受光面1aに反射光H2が入射しない領域Bとの境界に入射する光H11の反射光H2は、受光面1aの入射光H11側の端部WNと、受光面1aの入射光H11側の端部WFの間に入射する。
また、反射光H2が入射する太陽電池セル1の反対側の太陽電池セル1の受光面1aに反射光H2が入射しない領域Bの境界に入射するH12の反射光H2は、受光面1aの入射光H11側の端部WNに入射する。
そして、隣り合う太陽電池セル1同士の光の再利用可能な領域に干渉しない条件は次の式(8)と式(9)で表せる。
Figure 0005068854
Figure 0005068854
図11は、太陽電池セル1の間の間隔Gを式(8)と式(9)の条件で求め、光再利用シート12の回転角度φの状態を示す。
また、このとき、回転角度φは式(7)の条件を満たしている。
更に、太陽電池セル1は、横方向(x方向)の寸法Lxと縦方向(y方向)の寸法Lyである。
図10で示したように、図11では、太陽電池セル1に光の再利用可能な領域は符合Aで示されている。Aの距離は、太陽電池セル1の側面を基点とする距離である。図11で示すように、Aの距離は、光再利用シート12の回転角度φから垂直方向の距離である。
そして、光再利用シート12があるため、太陽電池セル1の四つの側面から再利用光の受光面1aへの入射が可能になる。
図11では、太陽電池セル1の側面1eと1cの再利用領域だけを示しており、縦方向側面1eから水平方向の光再利用領域をSx、横方向側面1cから垂直方向の光再利用領域をSyとして示している。
しかし、この光再利用領域Sx、Syでは反射光H2を太陽電池セル1に入射させることができない。
実際入射できる領域はこの光再利用領域Sx、Syと太陽電池セル1との交差面となる。
図11では太陽電池セル1の縦方向側面1eから受光面1aに入射した光の再利用領域をTx、太陽電池セル1の横方向側面1cから受光面1aに入射した光の再利用領域をTyとしている。
そして、これらTx、Tyは、式(10)と式(11)で表される。
Figure 0005068854
Figure 0005068854
更に、四つの側面から太陽電池セル1に入射させて再利用できる光の領域をfで表すと、式(12)のようになる。
Figure 0005068854
そして、式(10)と式(11)から、領域fは式(13)で表すことができる。
Figure 0005068854
そして、もし最大の再利用できる光の領域の最適な回転角度φを知ることが必要であれば、式(13)から求まる式(14)を用いればよい。
Figure 0005068854
図12は、式(13)から計算した領域fを表している。
この計算には式(7)、式(8)と式(9)を用いている。
また、太陽電池の面積(Lx×Ly)は固定しているが、太陽電池セル1の形状の影響(正方形、長方形の影響)を比較するために、Ly/Lxを換えた結果を示している。
正方形の太陽電池セル1の場合、領域fは、回転角度φが45度になると最大値が得られる。
回転角度φが45度より小さくなると領域fが小さくなり、0度の場合、最低値になる。
同様に、回転角度φが45度より大きくなると領域fが小さくなり、90度の場合、最低値になる。
なお、回転角度φが90度と0度の場合、領域fの同じ数値となる。
また、この結果は式(14)からも得られる。
このとき、正方形の太陽電池セル1は式(15)となる。
Figure 0005068854
なお、Aの条件は式(9)だけとなっているので、様々なAで式(16)が成り立たないといけない。
Figure 0005068854
このため、式(17)が成り立ち、これにより、式(18)が得られる。
Figure 0005068854
Figure 0005068854
一方、太陽電池セル1が長方形の場合において、領域fが最大値になる回転角度φを調べることにした。
シミュレーションでは、太陽電池セル1の横方向寸法Lxよりも縦方向の寸法Lyが長いという条件を設定し、図12で、Ly/Lxを2から5までをプロットした。
この図から、領域fが最大値になるのは45度ではなくなる。
また、Ly/Lxの割合が大きくなると、最適な回転角度が90度に近づくことも分かる。
更に、Ly/Lxの割合が大きくなると、最大の領域fが除々に大きくなることも分かる。
すなわち、最大再利用光を得たい場合には、太陽電池セル1を正方形より長方形であることが好ましく、更に長辺が短辺に対しより長い方が良いことが確認された。
例えば、図12から、Ly/Lyは1の場合、最適な回転角度φが45度近辺、領域fが1.0だとすると、Ly/Lyは2の場合、最適な回転角度φが60度近辺、領域fが1.1程度、Ly/Lyは3の場合、最適な回転角度φが70度近辺、領域fが1.3程度となる。
受光面1aに反射光が入射する領域Aの最大値は、太陽電池セル1間の間隔Gを考えなくても良いため、簡単に計算が可能である。
図10から、太陽電池の前面200aから光再利用シート12までの高さHと光再利用シート12の反射面12aと太陽電池セル1の受光面1aとの間隔C、入射光H0と反射光H2のなす角βから、式(19)が求まる。
Figure 0005068854
そして、この式(19)から、受光面1aに反射光H2が入射する領域Amaxを大きくするためには、Hを大きくするか、Cを小さくするか、βを大きくするしかないことが分かる。
一方で、βを大きくするために、プリズム角度を大きくすると、プリズム角度を大きくするに従い、一つのプリズムに反射した光は、隣のプリズムに当たって、光線の角度が変わり、全反射条件がなくなるおそれがある。
このような干渉を防ぐため、βの角度範囲を60度から40度程度にすることが必要になる。
また、このようにすると、例えば、太陽電池の構成で(H−C)が5mm程度、βが60度程度で、Amaxが17mm程度になる。
一般的な太陽電池セル1の大きさを考えると、式(7)から式(14)は十分に適合可能である。
図13及び図14は、一般的な太陽電池セル1の大きさ3種類(四角の太陽電池セル1の寸法幅156mm(Case1)、78mm(Case2)、39mm(Case3))に対し、上記Amaxを17mmにした場合において、最適な回転角度φと再利用領域fを比較した図である。
図13では、上記と同様に、太陽電池セル1の形状を長方形にした場合に、最適な回転角度φが45度から90度に変わっていく。
また、太陽電池セル1が小さい場合には、その変化が早い。
例えば、Ly/Lxが3の場合、最適な回転角度φは、Case1、Case2、Case3でそれぞれ、75度、78度、85度となる。
図14では、上記と同様に、太陽電池セル1の形状を長方形にした場合に、再利用領域fが大きくなっていく。
更に、再利用領域fを面積あたりで比較すると、Case1の効果よりもCase3の効果が優れていることが分かる。
ここまで式(7)、式(8)、式(9)で説明を行ったが、特に式(9)の条件が外れるとき、太陽電池セル1の再利用光の領域に限界が生じる。
これに対し、図15は、式(9)の条件が光再利用シート12の回転角度φにより乱されるときを示している。
図12と同様に、回転角度φが0度から大きくなるに従い領域fも大きくなる。
一方、回転角度φが式(20)の条件を満たすと、領域fの変化がなく、一定になる。
すなわち、式(20)の条件は、回転角度φの影響が無い条件であり、図12によってそのことが確認できる。
Figure 0005068854
図16では、式(20)の条件を含んで計算した領域fを表している。
太陽電池の面積(Lx×Ly)は固定にしており、太陽電池セル1の形状を正方形から長方形にした場合の影響を示している。
そして、Ly/Lxが1から4になるとき、式(7)、式(8)と式(9)は満たされている条件となり、図12と同様になる。
一方、Ly/Lxが5の場合、すべての回転角度領域(式(7)、式(9))が乱される領域(式(20))が現れる。
そして、再利用領域fが最大値になり、回転角度φを変えてもfが変わらなくなり、図16ではこの領域における回転角度φが65度程度から90度までとなる。
そして、このような構成を有する光再利用シート12を用いた太陽電池モジュール200によれば、隣り合う太陽電池セル1の間の領域Gに入射する光を光再利用シート12の反射面12aで反射し、太陽電池セル1に入射させることができる。
これにより、隣り合う太陽電池セル1の間の領域Gに入射する光も利用することができ、太陽電池モジュール200の発電効率を向上させることが可能となる。
一方、光再利用シート12は、図17のように光再利用シート12の反射面12aの裏面を充填層11側に向けて配置しても上記と同様の効果を得ることが可能である。
また、図18のように、この光再利用シート12に10μmから30μmのアルミ層又は10nmから100nmのシリカ層からなるバリア層16を有した構造を用いることができる。
更に、耐久性を上げるために、PVF(ポリフッ化ビニル樹脂)を塗布または、ポリフッ化ビニル樹脂を有したフィルムを張り合わせて、太陽電池モジュール200を保護するようにしてもよい。
このようにすることにより、太陽電池モジュール200のバックシートとしても用いることができる。
ここで、本発明に係る光再利用シート12及びこれを用いた太陽電池モジュール200の優位性について具体的に説明する。
(実施例1)
実施例1においては、基材15として250μmのPETフィルムを用いた。構造層13として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが150μmの反射面の頂角が135度である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層14として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート12を得た。
このようにして作製された光再利用シート12を用い、太陽電池モジュール200を作製した。
前面板10として約3mmのガラス板を用い、前面板10から0.5mmの位置に太陽電池セル1が配置されるように、EVAを充填し厚さ約0.5mmとして充填層11を形成した。
太陽電池セル1として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル1の受光面1aから0.5mmの位置に、太陽電池セル1の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート12を配置した。
このとき、光再利用シート12は三角プリズム状の凹凸方向が太陽電池セル1の端部と平行になるように設置した。
そして、この実施例1の太陽電池モジュール200の発電効率の測定を行った結果を表1に示している。
(実施例2)
次に、実施例2においては、基材15として250μmのPETフィルムを用いた。構造層13として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが200μmの反射面の頂角が120度である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層14として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート12を得た。
このようにして作製された光再利用シート12を用い、太陽電池モジュール200を作製した。
前面板10として約3mmのガラス板を用い、前面板10から0.5mmの位置に太陽電池セル1が配置されるように、EVAを充填し厚さ約0.5mmとして充填層11を形成した。
太陽電池セル1として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル1の受光面1aから0.5mmの位置に、太陽電池セル1の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート12を配置した。
このとき、光再利用シート12は三角プリズム状の凹凸方向が太陽電池セル1の端部と平行になるように設置した。
そして、この実施例2の太陽電池モジュール200の発電効率の測定を行った結果も表1に示している。
(実施例3)
次に、実施例3においては、基材15として250μmのPETフィルムを用いた。構造層13として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが150μmの反射面の頂角が135度である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層14として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート12を得た。
このようにして作製された光再利用シート12を用い、太陽電池モジュール200を作製した。
前面板10として約3mmのガラス板を用い、前面板10から0.5mmの位置に太陽電池セル1が配置されるように、EVAを充填し厚さ約0.5mmとして充填層11を形成した。
太陽電池セル1として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル1の受光面1aから0.5mmの位置に、太陽電池セル1の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート12を配置した。
このとき、光再利用シート12は三角プリズム状の凹凸方向が太陽電池セル1の端部と45度斜め方向となるように設置した。
そして、この実施例3の太陽電池モジュール200の発電効率の測定を行った結果も表1に示している。
(実施例4)
次に、実施例4においては、基材15として250μmのPETフィルムを用いた。構造層13として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが200μmの反射面の頂角が120度である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層14として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート12を得た。
このようにして作製された光再利用シート12を用い、太陽電池モジュール200を作製した。
前面板10として約3mmのガラス板を用い、前面板10から0.5mmの位置に太陽電池セル1が配置されるように、EVAを充填し厚さ約0.5mmとして充填層11を形成した。
太陽電池セル1として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル1の受光面1aから0.5mmの位置に、太陽電池セル1の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート12を配置した。
このとき、光再利用シートは三角プリズム状の凹凸方向が太陽電池セル1の端部と45度斜め方向となるように設置した。
そして、この実施例3の太陽電池モジュール200の発電効率の測定を行った結果も表1に示している。
一方、比較例1においては、基材15として250μmのPETフィルムを用いた。構造層13を形成せず、金属反射層14として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シートを得た。
このようにして作製された光再利用シートを用い、太陽電池モジュールを作製した。
前面板10として約3mmのガラス板を用い、前面板10から0.5mmの位置に太陽電池セル1が配置されるように、EVAを充填し厚さ約0.5mmとして充填層11を形成した。
太陽電池セル1として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル1の受光面1aから0.5mmの位置に、太陽電池セル1の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シートを配置した。
そして、この比較例1の太陽電池モジュールの発電効率の測定を行った結果も表1に示している。
Figure 0005068854
そして、この表1に示すように、比較例1の発電効率を100.0%とした場合に、実施例1では110.9%、実施例2では112.7%、実施例3では113.0%、実施例4では114.5%となり、比較例1に対し、本発明に係る光再利用シート12を設けた実施例1から実施例4の全てのケースで発電効率が高まることが実証された。
以上、本発明に係る光再利用シート及びこれを用いた太陽電池モジュールの第1実施形態について説明したが、本発明は上記の第1実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本発明に係る光再利用シート12は、太陽電池モジュール200への適用に限定する必要はなく、図19のように、LED又はEL等の発光素子からの光を再利用するのにも利用可能である。
具体的に、図19は、本発明に係る光源モジュール300の一様態の断面図である。
この光源モジュール300は、充填層11と、発光素子50と、光再利用シート12とを備えて構成されている。
そして、発光素子50は、エレクトロルミネッセンスにより電気を光へと変換する機能を持ち、発光面50aから光を射出する。
また、発光素子50は、LED、有機EL、無機EL等の固体の発光ダイオードが好ましく用いられる。
充填層11は、発光素子50を封止する層である。
発光素子50から射出した光M1、M2は、充填層11を透過し、一部は射出面300aから射出する光M1となり、他は射出面30aで反射する光M2となる。
充填層11の材料は、充填層11に入射する光を透過させるため光線透過率が高い材料が用いられ、透過性の高いアクリル樹脂等が好ましく用いられる。
発光素子50から射出した光のうち、一部の光M2は、射出面300aで反射し光再利用シート12の反射面12aに入射する。
反射面12aに入射する光M3は、反射面12aで特定方向に反射し、再び射出面300aに入射して、この射出面300aから外部に射出する光M4になる。
これにより、光再利用シート12が無い構成と比較して光利用効率を向上させることが可能になる。
一方、上述の光再利用シート12による効果は、発光素子50及び光再利用シート12の寸法、配置、反射光M4と反射面12aに入射する光M3のなす角βの関係が適切な範囲である場合にのみ発揮され、この関係は、式(1)を満たすのが好ましく、更に式(2)、式(3)を満たすのがより好ましく、更に式(4)を満たすのがより好ましく、更に式(4)を満たすのがより好ましい。
(第2実施形態)
以下に説明する第2実施形態においては、上述した第1実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
図20は本発明の太陽電池モジュール400に係る一様態を示す断面図である。
本発明に係る太陽電池モジュール400は、前面板22と、充填層21と、光再利用シート20を有する。
前面板22は、太陽電池セル30を衝撃、汚れ、水分の浸入等から保護し、太陽光又は照明光などの光源Sの光を透過する板であり、光の透過率が高い透明な材料からなる。
光源Sの光が太陽光・照明光の側Fより入射面110に垂直に入射する光H0は、前面板22に入射後、前面板22を透過し、充填層21に射出する。
なお、入射面110の法線NGは、平面P上に前面板22を水平に置いた状態における平面Pの法線と平行な方向である。
入射面110に垂直に入射する光とは、法線NGに平行に太陽電池モジュール400に入射する光のことである。
前面板22の材質は、強化ガラス、サファイアガラス等のガラスあるいは、PC(ポリカーボネート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等の樹脂シートである。
更に、前面板22が強化ガラスであれば、前面板22の厚さは約3〜6mmに設定される。前面板22が樹脂シートであれば、前面板22の厚さは100μm〜3000μmに設定される。
前面板22を射出した光は、充填層21に入射する。
充填層21は、太陽電池セル30を封止する層である。
前面板22に入射した光H0は、充填層21を透過し、太陽電池セル30へと射出される光H10となり、一部は光再利用シート20に射出される光H1となる。
充填層21に入射した光H0を透過させるため光線透過率が高い材料が用いられ、難燃性のEVA(エチレン・ビニル・アセテート)が広く使用されている。
更に、太陽電池セル30は、光電効果により受光面Jに入射した光を電気へと変換する機能を有する。単結晶シリコン型太陽電池、多結晶シリコン型太陽電池、薄膜シリコン型太陽電池、CdTe(Cd・Teの化合物)系、CIGS(Cu・In・Ga・Seの化合物)系等の化合物薄膜太陽電池など多くの種類の太陽電池セルが用いられる。
太陽電池セル30は、複数個を電極で接続し、モジュールを形成して用いられる。
充填層21から太陽電池セル30に入射した光H10は、太陽電池セル30で電気へと変換される。
通常、入射面110に対し斜めに入射した光は、垂直入射の光H0と比較して入射面110で、反射する割合が多く、太陽電池セル30に入射する光が少なく、発電に利用できる光が少ない。
そのため、入射光H0が、入射面110に垂直近辺に入射するとき、最も効率が高い。
光再利用シート20は、太陽電池セル30自体を透過した光、又は太陽電池セル30の間に入射した光H1を反射面100で反射する機能を有する。
反射された光H2は前面板22と大気の間等の界面で再度反射され、太陽電池セル30の受光面Jに入射する光H3となり光電変換される。
これにより光再利用シート20が無い構成と比較して光利用効率が向上する効果がある。
反射光H2の進む方向は、本発明の反射面100の凹凸構造により制御でき、多くの光を受光面Jに入射させることができる。
反射面100の凹凸構造について、その法線N0を用いて説明する。
なお、反射面100の法線N0は、反射面100上の任意の一点で、その点での接平面に垂面な直線である。
平面P上に光再利用シート20を安定した状態で置いたときの平面Pの法線Nと平行な方向である。
また、反射面100の角度θは、反射面100の法線N0とシート法線NBとのなす角である。
通常、シート法線NBは、入射面110の法線NGに対して平行になるように配置されるため、入射光H1は、シート法線NBに対して平行に入射する。
反射光H2の反射率は、その入射面110への入射角度により大きく変化する。
図21に入射角度による反射率の変化の図を示す。
この図22からわかるように、臨界角θcを境として大きく反射率が変化することが知られている。
この臨界角θcは、前面板22の屈折率をngとすると、
Figure 0005068854
この臨界角θc以上の角度で、入射面110に入射した光H2は、入射面110で全反射される。
また、充填層21の屈折率をne、反射光H2の法線NGに対する角度をθ2とすると、スネルの法則より、
Figure 0005068854
式21と、式22より、
Figure 0005068854
となる。
なお、充填材が複数の層からなっていた場合には、反射面上の材料の屈折率をn0とすると同様に、
Figure 0005068854
となる。
このθ2は、反射面100の角度がθのとき、
Figure 0005068854
となる。
上述より、反射面100の角度θ
Figure 0005068854
のとき、反射光H2は、前面板に全反射する。
上述のように、光再利用シート20は、太陽電池セル30の間に入射した光H1を反射面100で反射する機能を有する。
反射された光H2は前面板22と大気の間の界面で再度反射され、太陽電池セル30の受光面Jに入射する光H3となり光電変換される。
これにより光再利用シート20が無い構成と比較して光利用効率が向上する効果がある。
しかし、上述の効果は、太陽電池セル30及び光再利用シート20の寸法・配置と入射光H1と射出光H2のなす角βの関係が、適切な範囲である場合にのみ光再利用シート20の効果がある。
以下に、上述の太陽電池セル30及び光再利用シート20の寸法・配置として、太陽電池セル30間の隙間G、太陽電池モジュール400の入射面110と光再利用シート20の反射面100との間隔H、太陽電池セルの幅Wとを用い図23から図28に示す各場合に分けて説明する。
なお、図23から図28では、寸法・配置及び入射光H1と射出光H2のなす角βの関係の説明であるため、光再利用シート20の反射面100の凹凸形状を図示していない。
図23では、太陽電池セル30間の隙間Gで反射した光H2は、入射面110に再度入射しないため、光再利用シート20で反射した光H2が受光面Jに入射しない。
この条件式は、
Figure 0005068854
となる。
このとき、太陽電池セル30間の隙間Gに入射する光H1のうち、反射光H2が太陽電池セル30の受光面Jに入射しない領域Bの長さLは、
Figure 0005068854
となる。
なお、領域Bに入射した光は受光面Jに入射しないため、利用されずに損失となる。
そのため、Lが大きいと損失が多く、逆に、Lが小さいと損失が少ない。
L=Gの場合では、光再利用シート20の反射面100で反射し受光面Jに入射する光はない。
この場合、太陽電池セル30間の隙間Gに入射する光H1は、利用されないため好ましくない。
図24は、図23と同じように、領域Bの長さL=Gの場合である。
図24では、太陽電池セル30間の隙間Gで反射した光H2のうち、一部は入射面110に入射するが、太陽電池セル30の受光面Jに入射せず、そのまま再度光再利用シート20に入射するため、図23の場合と同様に、領域Bの長さL=Gとなる。
下記の条件式、
Figure 0005068854
であれば、太陽電池セルに光が入射するが、それ以外の場合、太陽電池セル30間の隙間Gに入射する光H1は、利用されないため、好ましくない。
図25は、図24の場合の太陽電池セルの幅Wが長い場合である。
太陽電池セル30間の隙間Gは、反射面100で反射した光H2が太陽電池セル30の受光面Jに入射する光の領域Aと、反射面100で反射した光H2が太陽電池セル30の受光面Jに入射しない光の領域Bに分けられる。
領域Aと領域Bとの境界に入射する光H11は、光H11の入射した側と反対側の太陽電池セル30の端部WFに入射する。
この条件式は、
Figure 0005068854
且つ、
Figure 0005068854
である。
領域Bの長さLは、
Figure 0005068854
となり、太陽電池セル30間の隙間Gに入射した光H1が利用されるので好ましい。
図26の場合では、太陽電池セル30間の隙間Gで反射した反射光H2の一部は、太陽電池セル30に遮蔽され、それ以外の反射光H2は、受光面Jに入射する。
この条件式は、
Figure 0005068854
且つ、
Figure 0005068854
である。
領域Bの長さは、
Figure 0005068854
となり、太陽電池セル30間の隙間Gに入射した光H1が利用されるので好ましい。
図27の場合では、反射光H2が入射する太陽電池セル30側と、反射光H2が入射する太陽電池セル30と反対側に、太陽電池セル30の受光面Jに反射光H2が入射しない領域Bがある。
反射光H2が太陽電池セル30の受光面Jに入射する領域Aと、反射光H2が入射する太陽電池セル30側の太陽電池セル30の受光面Jに反射光H2が入射しない領域Bと、の境界に入射する光H11は、太陽電池セル30の光H11側と反対側の太陽電池セルの受光面Jの端部WFに入射する。
反射光H2が太陽電池セル30の受光面Jに入射する領域Aと、反射光H2が入射する太陽電池セル30と反対側の太陽電池セル30の受光面Jに反射光H2が入射しない領域Bと、の境界に入射する光H12は、光H12側の太陽電池セルの受光面Jの端部WNに入射する。
なお、このとき、Aの幅はWの幅と同じ長さである。
この条件式は、
Figure 0005068854
且つ、
Figure 0005068854
である。
領域Bの長さLは、
Figure 0005068854
となり、太陽電池セル30間の隙間Gに入射した光H1が利用されるので好ましい。
図28では、反射光H2が太陽電池セル30の受光面Jに入射する領域Aと、反射光H2が入射する太陽電池セル30側の太陽電池セル30の受光面Jに反射光H2が入射しない領域Bと、の境界に入射する光H11の反射光H2は、受光面Jの入射光H11側の端部WNと、受光面Jの入射光H11側の端部WFの間に入射する。
反射光H2が入射する太陽電池セル30の反対側の太陽電池セル30の受光面Jに反射光H2が入射しない領域Bの境界に入射するH12の反射光H2は、受光面Jの入射光H11側の端部WNに入射する。
この条件式は、
Figure 0005068854
且つ、
Figure 0005068854
である。
領域Bの長さLは、
Figure 0005068854
となり、太陽電池セル30間の隙間Gに入射した光H1が利用されるので好ましい。
図29では、光再利用シート20の反射面100から太陽電池セル受光面Jまでの間隔Cが0で、太陽電池セル30の幅Wが太陽電池セル30間の隙間Gより大きい場合、光再利用シート20に入射した光の全てを太陽電池のセルの受光面に入射できる。
このとき、領域Bの長さLが0となる。
この条件式は、
Figure 0005068854
且つ、
Figure 0005068854
となり、損失を更に小さくできるため、より好ましい。
図30に、太陽電池セル30間の隙間Gと損失となる領域Bの長さLの関係の一例を示す。
図30では、入射光H1と反射光H2とのなす角βは0、42、46、50、54、58、62、66、70度とし、Hは5mm、Cは2mm、Wは30mmとしたときの、太陽電池セル30間の隙間Gが1mm〜20mmのときの図である。
太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLと、太陽電池セル30間の隙間Gとの関係は3つに分類できる。
一つ目は、太陽電池セル30間の隙間Gが小さい場合で、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLは太陽電池セル30間の隙間Gと同じとなり、太陽電池セル30間の隙間Gに入射した光H1は利用されないため、好ましくない。
二つ目は、太陽電池セル30間の隙間Gが大きい場合で、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLは、太陽電池セル30間の隙間Gの増加に伴い長くなるが、太陽電池セル30間の隙間Gに入射する光H1が利用されるため好ましい。
三つ目は、一つ目と二つ目の中間の場合で、太陽電池セル30間の隙間Gが大きくなっても、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLは変化せず、損失が増えないため、もっとも好ましい。
太陽電池セル30間の隙間Gが一定の場合には、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLは、入射光H1と反射光H2とのなす角βによって変わる。
例えば、太陽電池セル30間の隙間Gが4mmのとき、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLが最も短くなる入射光H1と反射光H2とのなす角βは42度である。
入射光H1と反射光H2とのなす角βが大きくなると、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLも大きくなる。58度以上では、損失となる領域Bの長さLは、太陽電池セル30間の隙間Gと同じになり、光再利用シート20に入射する光H1は、利用されなくなる。
また、太陽電池セル30間の隙間Gが10mmのとき、損失となる領域Bの長さLが最も短くなるときの入射光H1と反射光H2とのなす角βは、この場合54度である。
この角度より小さい角度(例えば42度)と大きい角度(例えば70度)では、太陽電池セル30間の隙間Gのうち損失となる領域Bの長さLが長くなる。
したがって、太陽電池セル30間の隙間Gが10mmの場合、入射光H1と反射光H2とのなす角βは、54度が最も良くなる。
次に、反射面100と入射面110の間は複数の層から場合について説明する。
図31は反射面100と入射面110の間が複数の層からなる太陽電池モジュール400の概要図を示す。
このような複数の層からなる場合においても、それぞれの層間の屈折率差は小さいため、上述の条件により太陽電池モジュールを作製した場合でも、発電効率の高い太陽電池モジュール400を得ることができる。
上述の太陽電池モジュール400で用いられる光再利用シート20は、図32に示すように、構造層3、反射層4、基材2から構成される。
構造層3に凹凸形状を形成する方法として、型に反射面100の凹凸形状を形成した面に熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂、又は電子線硬化型樹脂等を塗布または注入し、その上に基材2を配置して、硬化処理後にスタンパから離型する方法が挙げられる。
また、図33のような、基材2を用いずに構造層3のみからなる光再利用シート20の作製方法としては、型を用いたプレス法・キャスティング法・射出成形法等により基材2と一体成形する方法が挙げられる。
上述の方法によれば、シート形成と同時に、凹凸形状を形成することができる。
反射面100を形成する型としては機械切削により作製された型を用いることができる。
また、上述の型をもとに更に複版した型を用いることができる。
この際、凹凸形状の先端形状は、凹凸形状の先端に傷が付くのを防止するため、凹凸形状の先端が丸みを帯びた形状であることが望ましい。
また、反射面100の凹凸形状は周期構造を有していてもよい。
上述の反射面100の凹凸形状は三角形、台形、多角形のプリズム状の形状、又はシリンドリカルレンズのような各種レンズ・プリズム形状、あるいは半球状でも良い。
このとき、反射面100の凹凸形状の構造の周期のピッチとしては、300μm以下であることが望ましく、より望ましくは、200μm以下である。
上述の構造の周期のピッチが300μmより大きい場合には、反射面100を成型するときの凹凸形状の先端部分の型に樹脂が十分に入らないため成型性が悪い。
上述の構造の周期のピッチが、200μm以下であれば比較的粘度の高い樹脂でも成型が可能となる。
また、上述の構造の周期のピッチが小さいと型の作製が難しくなるため、25μm以上であることが望ましく、より望ましくは、50μm以上であることが望ましい。
上述の構造の周期のピッチが25μmより小さいと、型を切削する時間が長くタクトが落ち生産効率が悪い。
上述の構造の周期のピッチが50μmより小さいと、反射面100を成形する際に樹脂がうまく凹凸形状の溝に入らず凹凸形状の先端部分の形状を型どおり作製することができない。
更に、構造層3の厚さは、特には限定されないが、例えば30μm以上、500μm以下である。
上述の製造法は、以下の材料との適性により適宜選択するのが良い。
構造層3を形成するポリマー組成物中には、ポリマー組成物の他に例えば散乱反射体、硬化剤、可塑剤、分散剤、各種レベリング剤、紫外線吸収剤、抗酸化剤、粘性改質剤、潤滑剤、光安定化剤等が適宜配合されてもよい。
上述のポリマー組成物としては、特に限定されず、例えばポリ(メタ)アクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリメチルペンテン系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、アクリロニトリル―(ポリ)スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル―ブタジエン―スチレン共重合体(ABS樹脂)等のポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアリールフタレート系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられ、これらのポリマーを1種又は2種以上混合して使用することができる。
上述のポリウレタン系樹脂の原料であるポリオールとしては、例えば水酸基含有不飽和単量体を含む単量体成分を重合して得られるポリオール又は水酸基過剰の条件で得られるポリエステルポリオールなどが挙げられ、これらを単体で又は2種以上混合して使用することができる。
水酸基含有不飽和単量体としては、(a)例えばアクリル酸2―ヒドロキシエチル、アクリル酸2―ヒドロキシプロピル、メタクリル酸2―ヒドロキシエチル、メタクリル酸2―ヒドロキシプロピル、アリルアルコール、ホモアリルアルコール、ケイヒアルコール、クロトニルアルコール等の水酸基含有不飽和単量体、(b)例えばエチレングリコール、エチレンオキサイド、プロピレングリコール、プロピレンオキサイド、ブチレングリコール、ブチレンオキサイド、1,4―ビス(ヒドロキシメチル)シクロヘキサン、フェニルグリシジルエーテル、グリシジルデカノエート、プラクセルFM―1(ダイセル化学工業株式会社製)等の2価アルコール又はエポキシ化合物と、例えばアクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、クロトン酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸との反応で得られる水酸基含有不飽和単量体などが挙げられる。
これらの水酸基含有不飽和単量体から選択される1種又は2種以上を重合してポリオールを製造することができる。
また上述のポリオールは、アクリル酸エチル、アクリル酸n―プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n―ブチル、アクリル酸tert―ブチル、アクリル酸エチルヘキシル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n―プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸n―ブチル、メタクリル酸tert―ブチル、メタクリル酸エチルヘキシル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸シクロヘキシル、スチレン、ビニルトルエン、1―メチルスチレン、アクリル酸、メタクリル酸、アクリロニトリル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、酢酸アリル、アジピン酸ジアリル、イタコン酸ジアリル、マレイン酸ジエチル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、アクリルアミド、N―メチロールアクリルアミド、N―ブトキシメチルアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、エチレン、プロピレン、イソプレン等から選択される1種又は2種以上のエチレン性不飽和単量体と、上述の(a)及び(b)から選択される水酸基含有不飽和単量体とを重合することで製造することもできる。
水酸基含有不飽和単量体を含む単量体成分を重合して得られるポリオールの数平均分子量は1000以上500000以下であり、好ましくは5000以上100000以下である。
また、その水酸基価は5以上300以下、好ましくは10以上200以下、更に好ましくは20以上150以下である。
水酸基過剰の条件で得られるポリエステルポリオールは、(c)例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,3―ブタンジオール、1,4―ブタンジオール、1,5―ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、ヘキサメチレングリコール、デカメチレングリコール、2,2,4―トリメチル―1,3―ペンタンジオール、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール、グリセリン、ペンタエリスリトール、シクロヘキサンジオール、水添ビスフェノルA、ビス(ヒドロキシメチル)シクロヘキサン、ハイドロキノンビス(ヒドロキシエチルエーテル)、トリス(ヒドロキシエチル)イソシヌレート、キシリレングリコール等の多価アルコールと、(d)例えばマレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸、セバチン酸、アゼライン酸、トリメット酸、テレフタル酸、フタル酸、イソフタル酸等の多塩基酸とを、プロパンジオール、ヘキサンジオール、ポリエチレングリコール、トリメチロールプロパン等の多価アルコール中の水酸基数が前記多塩基酸のカルボキシル基数よりも多い条件で反応させて製造することができる。
上述の水酸基過剰の条件で得られるポリエステルポリオールの数平均分子量は500以上300000以下であり、好ましくは2000以上100000以下である。
また、その水酸基価は5以上300以下、好ましくは10以上200以下、更に好ましくは20以上150以下である。
ポリマー組成物のポリマー材料として用いられるポリオールとしては、上述のポリエステルポリオール、及び、上述の水酸基含有不飽和単量体を含む単量体成分を重合して得られ、かつ、(メタ)アクリル単位等を有するアクリルポリオールが好ましい。
ポリエステルポリオール又はアクリルポリオールをポリマー材料とすれば耐候性が高く、構造層3の黄変等を抑制することができる。
なお、このポリエステルポリオールとアクリルポリオールのいずれか一方を使用してもよく、両方を使用してもよい。
なお、上述のポリエステルポリオール及びアクリルポリオール中の水酸基の個数は、1分子当たり2個以上であれば特に限定されないが、固形分中の水酸基価が10以下であると架橋点数が減少し、耐溶剤性、耐水性、耐熱性、表面硬度等の被膜物性が低下する傾向がある。
構造層3を形成するポリマー組成物中に散乱反射体を反射性能、耐熱性能を向上させるため含有すると良い。
ポリマー組成物中に散乱反射体を含有することで、構造層3又は光再利用シート20の耐熱性を向上させることができ、かつ屈折率がポリマー組成物と大きく異なる材料を用いれば、光を反射させることができる。
なお、これにより十分な反射率が得られる場合には、図34、図35に示すように金属反射層4を設けなくても良い。
この散乱反射体剤を構成する無機物としては、特に限定されない。無機物としては、無機酸化物を用いることが好ましい。
この無機酸化物は、シリカ等も用いることができるが、ZnS等の金属化合物を用いることもできるが特に、TiO、ZrO、Al等の金属酸化物が望ましい。
またシリカの中空粒子を用いることもできる。
このうち、TiOは、屈折率が高く、分散性も得られやすいため好ましい。
また、散乱反射体の形状は、球状、針状、板状、鱗片状、破砕状等の任意の粒子形状でよく、特に限定されない。
散乱反射体の平均粒子径の下限としては、0.1μmが好ましく、上限としては30μmが好ましい。
平均粒子径が0.1μmより小さいと光を十分に反射しない。
また、平均粒子径が30μmより大きいと粒子に起因する凹凸が表面にでてしまい、所望の凹凸形状を形成することが難しい。
散乱反射体のポリマー組成物100部に対する配合量の下限としては固形分換算で30部が好ましい。
一方、散乱反射体の上述の配合量の上限としては100部が好ましい。
これは、無機充填剤の配合量が30部より少ないと、充填層21から構造層3に入射する光H1を十分に反射することができない。
逆に、配合量が100部を越えると、成型性が悪い。
上述の散乱反射体としては、その表面に有機ポリマーが固定された材料を用いるとよい。
このように有機ポリマー固定の散乱反射体を用いることで、ポリマー組成物での分散性又はポリマー組成物との親和性の向上が図られる。
この有機ポリマーについては、その分子量、形状、組成、官能基の有無等に関して特に限定はなく、任意の有機ポリマーを使用することができる。
また有機ポリマーの形状については、直鎖状、分枝状、架橋構造等の任意の形状を採用することができる。
上述の有機ポリマーを構成する具体的な樹脂としては、例えば、(メタ)アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルおよびこれらの共重合体、又はアミノ基、エポキシ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基等の官能基で一部変性した樹脂等が挙げられる。
中でも、(メタ)アクリル系樹脂、(メタ)アクリル―スチレン系樹脂、(メタ)アクリル―ポリエステル系樹脂等の(メタ)アクリル単位を含む有機ポリマーを必須成分として有する材料が被膜形成能を有するため、好適である。
また、有機ポリマーを構成する具体的な樹脂は、上述のポリマー組成物と相溶性を有する樹脂が好ましく、従ってポリマー組成物と同じ組成を有する材料であることが最も好ましい。
上述のポリマー組成物としてはシクロアルキル基を有するポリオールが好ましい。
ポリマー組成物としてのポリオール中にシクロアルキル基を導入することで、ポリマー組成物の撥水性、耐水性等の疎水性が高くなり、高温高湿条件下での構造層3ひいては光再利用シート20の耐撓み性、寸法安定性等が改善される。
また、構造層3の耐候性、硬度、耐溶剤性等の塗膜基本性能が向上する。
更に、表面に有機ポリマーが固定された散乱反射体との親和性及び散乱反射体の分散性が更に良好になる。
また、ポリマー組成物中には硬化剤としてイソシアネートを含有するとよい。
このようにポリマー組成物中にイソシアネート硬化剤を含有することで、より一層強固な架橋構造となり、構造層3の被膜物性が更に向上する。
このイソシアネートとしては上述の多官能イソシアネート化合物と同様の物質が用いられる。
中でも、被膜の黄変色を防止する脂肪族系イソシアネートが好ましい。
なお、散乱反射体は、内部に有機ポリマーを包含していてもよい。
このことにより、散乱反射体のコアである無機物に適度な軟度および靱性を付与することができる。
述の有機ポリマーにはアルコキシ基が含有されていることが好ましく、その含有量は特に限定されないが、散乱反射体1g当たり0.01mmol以上50mmol以下が好ましい。
アルコキシ基により、ポリマー組成物との親和性、又はポリマー組成物中での分散性を向上させることができる。
上述のアルコキシ基は、微粒子骨格を形成する金属元素に結合したRO基を示す。
このRは置換されていてもよいアルキル基であり、微粒子中のRO基は同一であっても異なっていてもよい。
Rの具体例としては、メチル、エチル、n―プロピル、イソプロピル、n―ブチル等が挙げられる。
散乱反射体を構成する金属と同一の金属アルコキシ基を用いるのが好ましく、散乱反射体がコロイダルシリカである場合には、シリコンを金属とするアルコキシ基を用いるのが好ましい。
有機ポリマーを固定した散乱反射体の有機ポリマーの含有率については、特に制限されないが、散乱反射体を基準にして0.5質量%以上50質量%以下が好ましい。
光再利用シート20において、反射層4を用いる場合にはその密接着性等を向上させるため、反射層4の蒸着対象面(構造層3の表面)に表面処理を施すとよい(図示せず)。
このような表面処理としては、例えば(a)コロナ放電処理、オゾン処理、酸素ガス若しくは窒素ガス等を用いた低温プラズマ処理、グロー放電処理、化学薬品等を用いた酸化処理、及び(b)プライマーコート処理、アンダーコート処理、アンカーコート処理、蒸着アンカーコート処理などが挙げられる。
これらの表面処理の中でも、反射層4との接着強度が向上し、緻密かつ均一な反射層4の形成に寄与するコロナ放電処理及びアンカーコート処理が好ましい。
上述のアンカーコート処理に用いるアンカーコート剤としては、例えばポリエステル系アンカーコート剤、ポリアミド系アンカーコート剤、ポリウレタン系アンカーコート剤、エポキシ系アンカーコート剤、フェノール系アンカーコート剤、(メタ)アクリル系アンカーコート剤、ポリ酢酸ビニル系アンカーコート剤、ポリエチレンアルイハポリプロピレン等のポリオレフィン系アンカーコート剤、セルロース系アンカーコート剤などが挙げられる。
これらのアンカーコート剤の中でも、反射層4の接着強度をより向上することができるポリエステル系アンカーコート剤が特に好ましい。
上述のアンカーコート剤のコーティング量(固形分換算)は、1g/m以上、3g/m以下が好ましい。
アンカーコート剤のコーティング量が1g/mより少ないと、反射層4の密着性向上効果が小さくなる。
一方、アンカーコート剤のコーティング量が3g/mより多いと、光再利用シート20の強度、耐久性等が低下するおそれがある。
なお、上述のアンカーコート剤中には、密接着性向上のために用いられるシランカップリング剤、ブロッキングを防止するために用いられるブロッキング防止剤、耐候性等を向上させるために用いられる紫外線吸収剤等の各種添加剤を適宜混合することができる。
添加剤の混合量としては、添加剤の効果発現とアンカーコート剤の機能阻害とのバランスから0.1重量%以上10重量%以下が好ましい。
上述の添加剤が、0.1重量%未満では、ブロッキングを十分に防止できず、耐候性が十分に得られず、10重量%より多いと、トップコート剤の機能を阻害してしまう。
反射層4は、光再利用シート20に入射する光を反射する層である。
反射層4を形成する際には、構造層3の凹凸形状が形成された面に沿って金属を蒸着することで形成される。
この反射層4を形成するために用いられる蒸着装置としては、構造層3に収縮、黄変等の劣化を招来することなく金属が蒸着できれば特に限定されない。(a)真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンクラスタービーム法等の物理気相成長法(Physical Vapor Deposition法:PVD法)、(b)プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法(ChemicalVapor Deposition法:CVD法)が採用される。
これらの蒸着法の中でも、生産性が高く良質な反射層4が形成できる真空蒸着法又はイオンプレーティング法が好ましい。
反射層4に用いられる金属としては、金属光沢を有しかつ蒸着が可能であれば特に限定されない。反射層4に用いられる金属としては、例えば、例えばアルミニウム、銀、金、ニッケル、スズ、ジルコニウム等が挙げられる。
中でも、反射性が高く、緻密な反射層4が比較的容易に形成されるアルミニウムが好ましい。
なお、反射層4は、単層構造でもよく、2層以上の多層構造でもよい。
このように反射層4を多層構造とすることで、蒸着の際に懸かる熱負担の軽減により構造層3の劣化が低減され、更に構造層3と反射層4との密着性等を改善することができる。
このとき、金属膜の上に酸化金属層を設けても良い。
また、上述の物理気相成長法及び化学気相成長法における蒸着条件は、構造層3又は基材2の樹脂種類、反射層4の厚さ等に応じて適宜設計される。
反射層4の厚さの下限としては、10nmが好ましく、20nmが特に好ましい。
一方、反射層4の厚さの上限としては、200nmが好ましく、100nmが特に好ましい。
反射層4の厚さが10nm下限より小さいと、充填層21から反射層4に入射する光を十分に反射することができない。
また、20nm以上の厚さであっても、上述の反射層4で反射される光は増えないため、20nmであれば十分な厚さといえる。
一方、反射層4の厚さが200nmの上限を超えると、反射層4に目視でも確認できるクラックが発生してしまう。
また、反射層4の外面には、トップコート処理を施すとよい(図示せず)。
このように反射層4の外面にトップコート処理を施すことで、反射層4が封止及び保護され、その結果、光再利用シート20のハンドリング性が良くなる。
また、反射層4の経年劣化も抑えられる。
上述のトップコート処理に用いるトップコート剤としては、例えばポリエステル系トップコート剤、ポリアミド系トップコート剤、ポリウレタン系トップコート剤、エポキシ系トップコート剤、フェノール系トップコート剤、(メタ)アクリル系トップコート剤、ポリ酢酸ビニル系トップコート剤、ポリエチレンアルイハポリプロピレン等のポリオレフィン系トップコート剤、セルロース系トップコート剤などが挙げられる。
トップコート剤の中でも、反射層4との接着強度が高く、反射層4の表面保護、欠陥の封止等に寄与するポリエステル系トップコート剤が特に好ましい。
上述のトップコート剤のコーティング量(固形分換算)は、3g/m以上、7g/m以下が好ましい。
トップコート剤のコーティング量が3g/mより小さいと、反射層4を封止及び保護する効果が小さくなるおそれがある。
一方、トップコート剤のコーティング量が上7g/mを超えても、上述の反射層4の封止及び保護効果があまり増大せず、かえって光再利用シート20の厚さが増大してしまう。
なお、上述のトップコート剤中には、密接着性向上のために用いられるシランカップリング剤、耐候性等を向上させるために用いられる紫外線吸収剤、耐熱性等を向上させるために用いられる無機フィラー等の各種添加剤を適宜混合することができる。
添加剤の混合量としては、添加剤の効果発現とトップコート剤の機能阻害とのバランスから0.1重量%以上10重量%以下が好ましい。
上述の添加剤が、0.1重量%未満では、密接着性、耐候性、耐熱性が十分に得られず、10重量%より多いと、トップコート剤の機能を阻害してしまう。
上述の光再利用シート20を構成する基材2は、合成樹脂を材料とするシート成形により形成されている。
基材2に用いられる合成樹脂としては、屋外に設置されることを鑑み、耐水性、紫外線に対する耐久性等の耐候性を有している材料が望ましい。例えばポリエチレンテレフタレート樹脂(PET樹脂)等のポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリメチルペンテン系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、アクリロニトリル―(ポリ)スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル―ブタジエン―スチレン共重合体(ABS樹脂)、ポリ塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリ(メタ)アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアリールフタレート系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、リエチレンナフタレート系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、エポキシン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられる。
上述の樹脂の中でも、高い耐熱性、強度、耐候性、耐久性、水蒸気等に対するガスバリア性等を有した樹脂として、ポリイミド系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリ乳酸系樹脂が好ましい。
上述のポリエステル系樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等が挙げられる。
これらのポリエステル系樹脂の中でも、耐熱性、耐候性等の諸機能面及び価格面のバランスが良好なポリエチレンテレフタレートが特に好ましい。
上述のフッ素系樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体からなるペルフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(FEP)、テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(EPE)、テトラフルオロエチレンとエチレン又はプロピレンとのコポリマー(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂(PCTFE)、エチレンとクロロトリフルオロエチレンとのコポリマー(ECTFE)、フッ化ビニリデン系樹脂(PVDF)、フッ化ビニル系樹脂(PVF)等が挙げられる。
これらのフッ素系樹脂の中でも、強度、耐熱性、耐候性等に優れるポリフッ化ビニル系樹脂(PVF)、テトラフルオロエチレンとエチレン又はプロピレンとのコポリマー(ETFE)が特に好ましい。
上述の環状ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、a)シクロペンタジエン(及びその誘導体)、ジシクロペンタジエン(及びその誘導体)、シクロヘキサジエン(及びその誘導体)、ノルボルナジエン(及びその誘導体)等の環状ジエンを重合させてなるポリマー、b)環状ジエンとエチレン、プロピレン、4―メチル―1―ペンテン、スチレン、ブタジエン、イソプレン等のオレフィン系モノマーの1種又は2種以上とを共重合させてなるコポリマー等が挙げられる。
これらの環状ポリオレフィン系樹脂の中でも、強度、耐熱性、耐候性等に優れるシクロペンタジエン(及びその誘導体)、ジシクロペンタジエン(及びその誘導体)又はノルボルナジエン(及びその誘導体)等の環状ジエンのポリマーが特に好ましい。
なお、基材2の形成材料としては、上述の合成樹脂を1種又は2種以上混合して使用することができる。
また、基材2の形成材料中には、加工性、耐熱性、耐候性、機械的性質、寸法安定性等を改良、改質する目的で、種々の添加剤等を混合することができる。
この添加剤としては、例えば滑剤、架橋剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、充填材、強化繊維、補強剤、帯電防止剤、難燃剤、耐炎剤、発泡剤、防カビ剤、顔料等が挙げられる。
上述の基材2の成形方法としては、特に限定されず、例えば押出し法、キャスト成形法、Tダイ法、切削法、インフレーション法等の公知の方法が採用される。
基材2を用いる場合には、その厚さは、25μm以上、500μm以下が好ましく、250μmが特に好ましい。
基材2の厚さが25μmより薄いと、紫外線硬化樹脂等の硬化収縮の影響により、構造層3の塗工加工際にカールが発生し、太陽電池モジュール400に組み込む際に不具合が発生する。
逆に、基材2の厚さが500μmを超えると、フィルム重量が増してしまい、太陽電池モジュール400の重量も増してしまう。
250μm以下であれば、より軽量の太陽電池モジュール400を実現できる。
また、基材2、構造層3、基材2中に紫外線安定剤又は分子鎖に紫外線安定基が結合したポリマーを含有することも可能である。
この紫外線安定剤又は紫外線安定基により、紫外線で発生するラジカル、活性酸素等が不活性化され、光再利用シート20の紫外線安定性、耐候性等を向上させることができる。
この紫外線安定剤又は紫外線安定基としては、紫外線に対する安定性が高いヒンダードアミン系紫外線安定剤又はヒンダードアミン系紫外線安定基が好適に用いられる。
このような構成を有する光再利用シート20を用いた太陽電池モジュール400によれば、隣り合う太陽電池セル30の間の領域R1に入射する光を光再利用シート20の反射面100で反射し、太陽電池セル30に入射させることができる。
これにより、隣り合う太陽電池セル30の間の領域R1に入射する光も利用することができ、太陽電池モジュール400の発電効率を向上させることが可能となる。
光再利用シート20は、図36のように光再利用シート20の反射面100の裏面を充填層側21に向けて配置することもできる。
また、図37のように、この光再利用シート20に10μmから30μmのアルミ層又は10nmから100nmのシリカ層からなるバリア層を有した構造を用いることができる。
また耐久性を上げるために、PVF(ポリフッ化ビニル樹脂)を塗布または、ポリフッ化ビニル樹脂を有したフィルムを張り合わせて、太陽電池モジュールを保護するようにしてもよい。
このようにすることにより、太陽電池モジュール400をバックシートして用いることもできる。
また、図38のように、この光再利用シート20は、LEDは、EL等の固体の発光素子50からの光を再利用するのにも利用可能である。
図38に本発明の光源モジュール410に係る一様態の断面図を示す。
光源モジュール410は、充填層21と、発光素子50と、光再利用シート20を有する。
発光素子50は、エレクトロルミネッセンスにより電気を光へと変換する機能を持ち、受発光面160から射出する。
発光素子50は、LED、有機EL、無機EL等の固体の発光ダイオードが好ましく用いられる。
充填層21は、発光素子50を封止する層である。
発光素子50から射出した光は、充填層21を透過し、一部は射出面150から射出する光M30となり、一部は射出面150で反射する光M31となる。
充填層21の材料は、充填層21に入射する光を透過させるため光線透過率が高い材料が用いられ、透過性の高いアクリル樹脂等が好ましく用いられる。
発光素子50から射出した光のうち、射出面150で反射する光M31は、射出面150で反射し光再利用シート20の反射面100に入射する。
反射面に入射する光M2は、反射面100で反射し、射出面150に入射する。
反射面100で反射し、射出面150に入射する反射光M1は、射出面150から外部に射出する。
これにより光再利用シート20が無い構成と比較して光利用効率が向上する効果がある。
上述の効果は、発光素子50及び光再利用シート20の寸法・配置と反射光M1と反射面に入射する光M2のなす角βの関係が、適切な範囲である場合にのみ光再利用シート20の効果を意味する。この関係は、数2に示された式を満たすのが好ましく、更に数3,4に示された式を満たすのがより好ましく、更に数5に示された式を満たすのがより好ましく、更に数6に示された式を満たすのがより好ましい。
(実施例5)
実施例5においては、基材2として250μmのPETフィルムを用いた。構造層3として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが150μmの反射面100の頂角が135°である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層4として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート20を得た。
このようにして作製された光再利用シート20を用い、太陽電池モジュール400を作製した。
前面板22として約3mmのガラス板、前面板22から0.5mmの位置に、太陽電池セル30が配置されるように、厚さ約0.5mmになるようにEVAを充填し充填層21を形成した。
太陽電池セル30として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル30の受光面Jから0.5mmの位置に、太陽電池セル30の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート20を配置して発電効率の測定を行った。
表2にその発電効率の結果を示す。
(実施例6)
実施例6においては、基材2として250μmのPETフィルムを用いた。構造層3として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが200μmの反射面100の頂角が120°である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層4として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート20を得た。
このようにして作製された光再利用シート20を用い、太陽電池モジュール400を作製した。
前面板22として約3mmのガラス板、前面板22から0.5mmの位置に、太陽電池セル30が配置されるように、厚さ約0.5mmになるようにEVAを充填し充填層21を形成した。
太陽電池セル30として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル30の受光面Jから0.5mmの位置に、太陽電池セル30の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート20を配置して発電効率の測定を行った。
表2にその発電効率の結果を示す。
(実施例7)
実施例7においては、基材2として250μmのPETフィルムを用いた。構造層3として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが200μmの反射面100の頂角が115°である三角プリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層4として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート20を得た。
このようにして作製された光再利用シート20を用い、太陽電池モジュール400を作製した。
前面板22として約3mmのガラス板、前面板22から0.5mmの位置に、太陽電池セル30が配置されるように、厚さ約0.5mmになるようにEVAを充填し充填層21を形成した。
太陽電池セル30として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル30の受光面Jから0.5mmの位置に、太陽電池セル30の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート20を配置して発電効率の測定を行った。
表2にその発電効率の結果を示す。
(実施例8)
実施例8においては、基材2として250μmのPETフィルムを用いた。構造層3として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが15μmの反射面100の頂角が135°であるプリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層4として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート20を得た。
これを用い、太陽電池モジュール400を作製した。
前面板22として約3mmのガラス板、前面板22から0.5mmの位置に、太陽電池セル30が配置されるように、厚さ約0.5mmになるようにEVAを充填し充填層21を形成した。
太陽電池セル30として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル30の受光面Jから1.0mmの位置に、太陽電池セル30の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート20を配置して発電効率の測定を行った。
表2にその発電効率の結果を示す。
(実施例9)
実施例9においては、基材2として250μmのPETフィルムを用いた。構造層3として紫外線硬化アクリル系樹脂からなるピッチが15μmの反射面100の頂角が120°であるプリズム状の凹凸構造が形成された層をPETフィルム上に積層し、金属反射層4として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート20を得た。
このようにして作製された光再利用シート20を用い、太陽電池モジュール400を作製した。
前面板22として約3mmのガラス板、前面板22から0.5mmの位置に、太陽電池セル30が配置されるように、厚さ約0.5mmになるようにEVAを充填し充填層21を形成した。
太陽電池セル30として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル30の受光面Jから1.0mmの位置に、太陽電池セル30の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート20を配置して発電効率の測定を行った。
表2にその発電効率の結果を示す。
(比較例2)
比較例2においては、基材2として250μmのPETフィルムを用いた。構造層3を形成せず、金属反射層4として100nmのアルミ層を蒸着法により形成し光再利用シート20を得た。
このようにして作製された光再利用シート20を用い、太陽電池モジュール400を作製した。
前面板22として約3mmのガラス板、前面板22から0.5mmの位置に、太陽電池セル30が配置されるように、厚さ約0.5mmになるようにEVAを充填し充填層21を形成した。
太陽電池セル30として150mm角、厚み0.2mmの多結晶型シリコン太陽電池を用い、太陽電池セル30の受光面Jから0.5mmの位置に、太陽電池セル30の周辺部に約25mm幅の上述の光再利用シート20を配置して発電効率の測定を行った。
表2にその発電効率の結果を示す。
Figure 0005068854
以上詳述したように、本発明は、少なくとも一方の面に凹凸構造を有し、前記凹凸構造によって光の回折、散乱、屈折、或いは反射作用によって特定方向に光を偏向し、従来においては損失されていた光を再利用することができる光再利用シートと、この光再利用シートが用いられた太陽電池モジュール及び光源モジュールに有用である。
A…太陽電池セル間の間隔のうち受光面に反射光が入射する領域
B、B1…太陽電池セル間の間隔のうち受光面に反射光が入射しない領域
C…光再利用シート反射面と太陽電池セル受光面との間隔
F…光源方向
G…太陽電池セル間の間隔
H…太陽電池前面から光再利用シートまでの高さ
H0…太陽電池モジュールに垂直に入射する光
W…太陽電池セルの幅
H1…反射面に入射する光
H2、H11、H12…反射光
H3…再利用される光
H10…太陽電池セルに垂直に入射する光
NB…シート法線
L…太陽電池セル間の隙間のうち受光面に反射光が入射しない領域の長さ
Lx…太陽電池セルの横方向の寸法
Ly…太陽電池セルの縦方向の寸法
NG…前面板の法線
ne…充填層の屈折率
ng…前面板の屈折率
no…反射面上の材料の屈折率
N0…反射面の法線
P…平面
S…光源
Sx…縦方向側面から水平方向の光再利用領域
Sy…横方向側面から垂直平方向の光再利用領域
Tx…太陽電池セル縦方向側面から受光面に入射した光の再利用領域
Ty…太陽電池セル横方向側面から受光面に入射した光の再利用領域
WN…反射光の入射した側の太陽電池セルの端部
WF…反射光の入射した側と反対側の太陽電池セルの端部
M…反射面から太陽電池セル受光面に入射した光の水平方向光路
α…プリズム角度
β…入射光と反射光のなす角度
θ…反射面の角度
θc…臨界角
φ…光再利用シートの回転角度
1,30…太陽電池セル
1a,J…受光面
3…構造層
10,20…前面板
11,21…充填層
12,20…光再利用シート
12a,100…反射面
13…構造層
14,4…反射層
15,2…基材
50…発光素子
50a,160…発光面
200,400…太陽電池モジュール
200a,110…入射面
300,410…光源モジュール
300a,150…射出面

Claims (6)

  1. 太陽電池モジュールであって、
    光が入射する前面板と、
    前記前面板を透過した光が透過する充填層と、
    受光面と前記受光面とは反対の裏面とを有し、前記充填層によって固定され、前記充填層から透過した光を前記受光面から受光して光を電気に変換する太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルの前記裏面に対向するように配設され、互いに隣接する前記太陽電池セルの間を透過した光を反射し前記光を前記太陽電池セルに受光させるべく前記太陽電池セルの横方向のエッジに対して斜め方向をなすようにプリズムが配列された凹凸形状の反射面を有する光再利用シートとを含み、
    前記光再利用シートは、太陽電池セルの裏面側に配設されて太陽電池モジュールに入射した光を前記太陽電池セルに入射させるように特定方向に反射させるために前記反射面が次式を満たすように形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
    Figure 0005068854
    ここで、Lx:太陽電池セルの横方向寸法
    Ly:太陽電池セルの縦方向寸法
    φ:反射面の凹凸形状方向と太陽電池セルの横方向のエッジとがなす角度
    A:隣り合う太陽電池セルの間を透過し、光再利用シートで反射して太陽電池セルの受光面に入射する光の最大の幅。
  2. 請求項1記載の太陽電池モジュールであって、
    前記太陽電池セルの前記横方向寸法Lxと前記縦方向寸法Lyが同等の場合、又は長辺が短辺の2倍以下の場合に、φ=45度±20度を満たすように前記反射面が一方向に延在して形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
  3. 請求項1記載の太陽電池モジュールであって、
    前記太陽電池セルの前記横方向寸法Lxと縦方向寸法Lyとが異なり、長辺が短辺の2倍以上の場合に、φ=60度±20度(Lx<Ly)又はφ=30度±20度(Ly<Lx)を満たすように前記反射面が一方向に延在して形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
  4. 光源モジュールであって、
    光を透過し、射出面を有する充填層と、
    発光面と前記発光面とは反対の裏面とを有し、前記充填層によって固定され、電気を光に変換し、前記光を前記発光面から発光させて、前記光を前記充填層の射出面で反射させる発光素子と、
    前記発光素子の前記裏面に対向するように配設され、前記充填層の前記射出面で反射された光を再び前記射出面に向けて反射させるべく前記発光素子の横方向のエッジに対して斜め方向をなすようにプリズムが配列された凹凸形状の反射面を有する光再利用シートとを含み、
    前記光再利用シートは、前記発光素子の裏面側に配設されて前記光源モジュールの発光素子から出射した光を反射して特定方向に出射させるために前記反射面が次式を満たすように形成されていることを特徴とする光源モジュール。
    Figure 0005068854
    ここで、Lx:発光素子の横方向寸法
    Ly:発光素子の縦方向寸法
    φ:反射面の凹凸形状方向と発光素子の横方向のエッジとがなす角度
    A:発光素子から特定方向に出射されず、光再利用シートで反射して特定方向に出射する光の最大の幅。
  5. 請求項4記載の光源モジュールであって、
    前記前記発光素子の前記横方向寸法Lxと前記縦方向寸法Lyが同等の場合、又は長辺が短辺の2倍以下の場合に、φ=45度±20度を満たすように前記反射面が形成されていることを特徴とする光源モジュール。
  6. 請求項4記載の光源モジュールであって、
    前記前記発光素子の前記横方向寸法Lxと前記縦方向寸法Lyとが異なり、長辺が短辺の2倍以上の場合に、φ=60度±20度(Lx<Ly)又はφ=30度±20度(Ly<Lx)を満たすように前記反射面が形成されていることを特徴とする光源モジュール。
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