JPWO2009066720A1 - 太陽電池モジュールおよび太陽光発電ユニット - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態の太陽電池モジュール１は、照射された太陽光Ｌｓを光電変換する太陽電池素子３０と、太陽電池素子３０が載置されたレシーバ基板２０と、太陽電池素子３０から分離して配置され太陽光Ｌｓを透過させて太陽電池素子３０に太陽光Ｌｓを照射する１次光学系部材１００と、太陽電池素子３０と１次光学系部材１００との間で太陽電池素子３０に隣接させて配置された２次光学系部材５０とを備える。レシーバ基板２０に載置されレシーバ基板２０に対して４５度以上の第１傾斜角θ１で傾斜させて１次光学系部材１００に連結された壁板部２００と、壁板部２００の表面に形成され１次光学系部材１００から透過された太陽光Ｌｓを反射する反射面２０１とを備える。

Description

本発明は、照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する１次光学系部材とを備える太陽電池モジュール、およびこのような太陽電池モジュールを複数配置して構成した太陽光発電ユニットに関する。

太陽光発電装置としては、太陽電池素子を隙間無く敷き詰めて構成した太陽電池モジュールを屋根の上などに設置した非集光固定型の平板式構造が一般的である。これに対し、太陽光発電装置を構成する部材（部品）の中で価格が高い太陽電池素子の使用量を減らす技術が提案されている。

つまり、光学レンズや反射鏡などを用いて太陽光を集光し、小面積の太陽電池素子に照射することで、太陽電池素子の面積あたりの発電電力を大きくし、太陽電池素子のコスト（つまり、太陽光発電装置のコスト）を削減することが提案されている。

素子特性として集光倍率を上げるほど太陽電池素子の光電変換効率は向上する。しかし、太陽電池素子の位置を固定したままでは太陽光が斜光となって入射することが多くなり、太陽光を有効に利用することができない。したがって、太陽を追尾して太陽光を常に正面で受光するように構成した高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置が提案されている。

図７は、追尾集光型太陽光発電装置に適用される従来例１としての太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。

従来例１に係る太陽電池モジュール５０１は、太陽光Ｌｓ（太陽光Ｌｓｖ）を受光して集光する集光レンズ１４２と、集光レンズ１４２により集光された太陽光Ｌｓ（太陽光Ｌｓｄ）を光電変換する太陽電池素子５３０とを備える。また、太陽電池素子５３０は、レシーバ基板５２０に載置されている。また、集光レンズ１４２は、太陽電池素子５３０の裏面側に焦点位置ＦＰを有する構成としてある。

従来の追尾集光型太陽光発電装置は、集光レンズ１４２の作用により高集光倍率とした太陽電池モジュール５０１を適用していた。

従来例１に係る太陽電池モジュール５０１を適用した高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置では、集光レンズ１４２から太陽電池素子５３０の表面までのワーキング距離Ｄｗが大きいことから、集光レンズ１４２および太陽電池素子５３０の相関位置を固定する筐体（不図示）の形状が大きくなる。

したがって、太陽電池モジュール５０１の体積と重量が大きくなり、結果的にモジュール材料費が高くなる。また、モジュール重量が増加するにしたがって、高い追尾駆動能力が必要となり、製造コスト、稼動コストなどを含めた全体のコストが高くなるという問題があった。つまり、太陽電池モジュールを軽量化することが重要な課題として存在していた。

従来例１の問題を解決するために、集光レンズと太陽電池素子の間に、２次光学系部材を設けることが一般的に行われている。

具体的には、太陽電池素子表面直上に２次光学系部材として凸レンズを用いた構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、凸レンズの他に、両凸レンズや平凸レンズ、あるいは菱形レンズが用いられる場合もある。

また、１次光学系部材のフレネルレンズに対してさらにもう一つの同様なフレネルレンズを重複して配置した構造が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、２次光学系部材として両凸レンズや、平凸レンズを用いた場合は、かえって色収差の問題が悪化する、あるいは、２次光学系部材での反射・透過損失によって太陽電池素子への入射光量が低下するといった問題が生じる。

特許文献１に示されている方法では、太陽電池素子に入射する光はすべて２次光学系部材を透過していることから、２次光学系部材による反射・透過損失が存在し、太陽電池素子への入射光量が実質上低下するといった問題がある。

また、特許文献２に示されている方法では、太陽電池素子に入射する光はすべて２次光学系部材を透過していることから、特許文献１に示されている方法と同様な問題がある。

さらに、１次光学系部材（集光レンズ）により集光した光を太陽電池素子の直上に配置された透光性材料からなる２次光学系部材の内部に取り込んで側面で全反射させ、太陽電池素子の表面に集める構造が開示されている（例えば、特許文献３、特許文献４参照。）。例えば特許文献３に記載された技術を従来例２として次に説明する。

図８は、追尾集光型太陽光発電装置に適用される従来例２としての太陽電池モジュールの構成を示す説明図である。

従来例２に係る太陽電池モジュール６００は、１次光学系部材としてのフレネルレンズ６０１、太陽電池モジュール６００の筐体として機能するモジュール保持部６０２、フレネルレンズ６０１で集光された太陽光Ｌｓをさらに集束する漏斗状アルミニウム合金板で構成された反射鏡６０３、反射鏡６０３で集束された太陽光Ｌｓを側面で反射させつつ導光して太陽電池素子６２０へ照射する２次光学系部材６１０、太陽電池素子６２０を載置した回路基板６３０を備える。

つまり、１次光学系部材６０１およびモジュール保持部６０２に加えて、反射鏡６０３、２次光学系部材６１０を設けている。したがって、従来例１と同様な問題が生じると共に、光学系の構成が複雑であることから、製造工程の複雑化、製造工程でのコストの増大が生じる。

つまり、特許文献３、特許文献４に示されている方法では、アライメント誤差、色収差、光強度分布の問題を解決するには有効であるが、２次光学系部材の側面で全反射させるために側面への入射角を大きくとる必要がある。したがって、１次光学系部材の焦点距離を長くし、併せて２次光学系部材と太陽電池素子を１次光学系部材から離して設置する必要があり、結果として太陽電池モジュールのワーキング距離Ｄｗ（図８では省略。）が長くなり全体の重量を増加させるという問題がある。

太陽電池モジュールのワーキング距離Ｄｗが増えて重量が増加することは、太陽電池モジュールを搭載して駆動する追尾機構部（追尾駆動システム）の大型化を招き、追尾集光型太陽光発電装置のコストアップ、取り扱いの困難性、メンテナンスの困難性など稼動性能を低下させるなどの不都合をもたらす。

また、特許文献３、特許文献４に示されている方法では、２次光学系部材での入射端面・出射端面での反射損失、２次光学系部材での透過損失により太陽電池素子に入射する光量が減少するといった特許文献１、特許文献２と同様な問題がある。

特に、図８で従来例２として示した場合には、アルミニウム合金板をプレス加工することによって低コストで簡易に作製できる漏斗状の反射鏡６０３が設けられ、追尾誤差などによる影響を低減することを図っている。しかし、１次光学系部材（フレネルレンズ６０１）により集光される太陽光Ｌｓしか利用できないことから、反射鏡６０３に入射した太陽光Ｌｓ以外の太陽光Ｌｓ、また、フレネルレンズ６０１に集光されない太陽光Ｌｓを集束させることは不可能であり、改善効果が限られている。

さらに、上述した２次光学系部材を用いる方法では、２次光学系部材は、１次光学系部材によって高密度に集光された太陽光を直接受光することから、２次光学系部材を構成する材料（素材）に対して高い耐熱性が要求され、結果として装置のコストが高くなるといった問題がある。

また、従来の太陽電池モジュールでは、特に高集光倍率とした場合に、集光された光ビームのエネルギー密度が高くなり、追尾誤差などにより太陽電池素子以外の領域に集光された太陽光が照射されると太陽電池素子以外の部材（配線などの部品）が焼損し、光学部材として配置されたガラスの割れを生じる恐れがある。つまり、十分な信頼性を有する追尾集光型太陽光発電装置とすることができないという問題がある。また、これらに対する十分な放熱対策が未だ提案されていないという問題がある。

また、集光レンズとしてフレネルレンズが一般的に使用されるが、フレネルレンズが有する溝部（歯形の境界）では、加工精度、温度特性などの影響により微小な変形を生じる。したがって、垂直方向から入射した太陽光Ｌｓｖを完全に集光することは困難であり、一部は散乱光Ｌｓｓとなって太陽電池素子への照射がなされない状態となり、結果として集光効率の低下をもたらしている。また、上述した従来例で明らかなように、太陽電池素子へ照射される太陽光Ｌｓは直達光Ｌｓｄに限られ集光効率に限界を生じていた。
米国特許第５１６７７２４号明細書 米国特許第６６５３５５１号明細書 特開２００２−２８９８９７号公報 特開２００３−２５８２９１号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子と１次光学系部材との位置決めを高精度化し、直達光に加えて散乱光を反射させて太陽電池素子への太陽光の照射光量を増大させ、集光効率、ひいては発電効率を向上させた太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

また、本発明は、直達光および散乱光を効率よく太陽電池素子へ照射して集光効率ひいては発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させた太陽光発電ユニットを提供することを他の目的とする。

本発明に係る太陽電池モジュールは、照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する１次光学系部材とを備える太陽電池モジュールであって、前記レシーバ基板に載置され前記レシーバ基板に対して４５度以上の第１傾斜角で傾斜させて前記１次光学系部材に連結された壁板部と、該壁板部の表面に形成され前記１次光学系部材から透過された太陽光を反射する反射面とを備え、前記反射面は、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜で形成されていることを特徴とする。

この構成により、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子と１次光学系部材との位置決めを高精度化し、直達光に加えて散乱光を反射させて太陽電池素子への太陽光の照射光量を増大させ、集光効率ひいては発電効率を向上させた太陽電池モジュールとすることが可能となる。さらに、太陽電池素子での光電変換に有効に作用する波長領域の太陽光のみを太陽電池素子へ反射させ、不要な波長領域の太陽光は太陽電池素子への集光を防止することが可能となり、発電効率、耐熱性を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記壁板部は、前記１次光学系部材を支持する構成とされていることを特徴とする。

この構成により、構造を簡略化すると共に強度を確保することが可能となることから、製造工程を簡略化し、製造工数を低減することが可能となると共に複数の太陽電池モジュールを並置して大容量の太陽光発電ユニットを容易に構成することができる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記壁板部は、非金属材料で形成されていることを特徴とする。

この構成により、軽量化が可能となり、また、加工性が向上することから、製造工程ないし稼動時での取り扱いを容易化することができる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記１次光学系部材は、集光レンズを備えることを特徴とする。

この構成により、集光効率をさらに向上させることが可能となる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記選択反射膜は、波長１２００ｎｍ超の太陽光を透過し、波長１２００ｎｍ以下の太陽光を反射させることを特徴とする。

この構成により、光電変換に寄与しない長波長領域の太陽光による太陽電池素子での温度上昇を防止することが可能となり、温度特性と発電効率を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記選択反射膜は、波長１３８０ｎｍ超の太陽光を透過し、波長１３８０ｎｍ以下の太陽光を反射させる構成であってもよい。

大気層による吸収において、波長領域１３８０ｎｍ付近には谷形状のスペクトルがある。選択反射膜の反射波長閾値をこの１３８０ｎｍとすることにより、膜厚あるいは屈折率において多少の変動があっても選択反射膜の反射特性に影響が少なくなり、選択反射膜の反射特性の安定性が改善される。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記太陽電池素子に近接して配置され前記１次光学系部材を透過した太陽光を集束する２次光学系部材を備えることを特徴とする。

この構成により、色収差・強度ムラを平均化することが可能となり、集光された太陽光の高いエネルギー密度による太陽電池素子の特性低下を防止し光電変換の信頼性を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る太陽光発電ユニットは、太陽電池モジュールを複数配置して構成された太陽光発電ユニットであって、前記太陽電池モジュールは、本発明に係る太陽電池モジュールであることを特徴とする。

この構成により、直達光および散乱光を効率よく太陽電池素子へ照射して集光効率ひいては発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させた太陽光発電ユニットとすることが可能となる。

本発明に係る太陽電池モジュールは、照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する１次光学系部材とを備える太陽電池モジュールであって、レシーバ基板に載置されレシーバ基板に対して４５度以上の第１傾斜角で傾斜させて１次光学系部材に連結された壁板部と、壁板部の表面に形成され１次光学系部材から透過された太陽光を反射する反射面とを備え、反射面は、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜で形成してある。

したがって、本発明に係る太陽電池モジュールによれば、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子と１次光学系部材との位置決めを高精度化し、直達光に加えて散乱光を反射させて太陽電池素子への太陽光の照射光量を増大させ、集光効率を向上させ、さらに、太陽電池素子での光電変換に有効に作用する波長領域の太陽光のみを太陽電池素子へ反射させ、不要な波長領域の太陽光は太陽電池素子への集光を防止することが可能となることから、発電効率、耐熱性を向上させた太陽電池モジュールを提供することが可能となるという効果を奏する。

また、本発明に係る太陽光発電ユニットによれば、本発明に係る太陽電池モジュールを複数配置して太陽光発電ユニットとすることから、直達光および散乱光を効率よく太陽電池素子へ照射して集光効率ひいては発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させた太陽光発電ユニットを提供することが可能となるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。 図１に示した太陽電池モジュールの太陽電池素子の実装状態および２次光学系部材の構成の概略を透視的に示す透視側面図である。 本発明の実施の形態２に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。 本発明の実施の形態３に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。 本発明の実施の形態４に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。 本発明の実施の形態６に係る太陽光発電ユニットの全体構成の概略を俯瞰的に示す斜視図である。 追尾集光型太陽光発電装置に適用される従来例１としての太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 追尾集光型太陽光発電装置に適用される従来例２としての太陽電池モジュールの構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態７を説明するための図であり、米国基準協会により開示されている直達光のスペクトルである。

符号の説明

１ 太陽電池モジュール
１０ プレート
１１ 放熱フィン
２０ レシーバ基板
３０ 太陽電池
３０ｓ 太陽電池
３５ 樹脂封止枠
３６ 樹脂封止部
３７ 透光性被覆板
５０ ２次光学系部材
５０ｓ 凸状曲面
５１ ２次光学系ホルダ
１００ １次光学系部材
１０１ 板ガラス
１０２ フレネルレンズ
１０３ 反射防止膜
２００ 壁板部
２０１ 反射面（選択反射膜）
３００ 太陽光発電ユニット
３１０ 長尺状フレーム
Ｌｓ 太陽光
Ｌｓｖ 太陽光
Ｌｓｄ 直達光（太陽光）
Ｌｓｓ 散乱光（太陽光）
Ｌｓｉ 太陽光
Ｒｏｔｈ 水平方向回転
Ｒｏｔｖ 垂直方向回転
θ１ 第１傾斜角
θ２ 第２傾斜角

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１および図２に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。

本実施の形態に係る太陽電池モジュール１は、照射された太陽光Ｌｓを光電変換する太陽電池素子３０と、太陽電池素子３０が載置されたレシーバ基板２０と、太陽電池素子３０から分離して配置され太陽光Ｌｓを透過させて太陽電池素子３０に太陽光Ｌｓを照射する１次光学系部材１００とを備える。

太陽電池素子３０は、例えば、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの層構造を有する３接合化合物半導体タンデム太陽電池（素子）である。太陽電池素子３０は、アルミニウム板で構成されたレシーバ基板２０に搭載され、レシーバ基板２０は、放熱フィン１１を備えてヒットシンクとなるプレート１０に取り付けられている。

本実施の形態では、太陽電池素子３０と１次光学系部材１００との間に、太陽電池素子３０に隣接させて配置された２次光学系部材５０が設けられている。２次光学系部材５０の１次光学系部材１００に対向する表面は、なだらかな凸状曲面５０ｓを有する形状としてあり、凸状曲面５０ｓへ照射された太陽光Ｌｓは、太陽電池素子３０へ集束される構成とされている。

また、２次光学系部材５０は、２次光学系ホルダ５１によって太陽電池素子３０に対して位置決めされ固定されている。なお、２次光学系部材５０については、図２でさらに詳細を説明する。

１次光学系部材１００は、基本構造体として機能する板ガラス１０１、太陽電池素子３０に対する集光レンズとして機能し板ガラス１０１に対して太陽電池素子３０側に配置されたフレネルレンズ１０２、板ガラス１０１の外部表面に配置され外部表面での太陽光Ｌｓの反射を防止する反射防止膜１０３で構成される。１次光学系部材１００は、集光レンズを備えることから、集光効率をさらに向上させることが可能となる。

本実施の形態に係る太陽電池モジュール１は、１次光学系部材１００と太陽電池素子３０とを機械的に連結し、相関位置を固定する手段として壁板部２００を備える。また、壁板部２００には、反射面２０１が形成されている。

つまり、太陽電池モジュール１は、レシーバ基板２０に載置されレシーバ基板２０に対して４５度以上の第１傾斜角θ１で傾斜させて１次光学系部材１００に連結された壁板部２００と、壁板部２００の表面に形成され１次光学系部材１００を透過して入射した太陽光Ｌｓを反射する反射面２０１とを備える。太陽光Ｌｓは、４５度以上の第１傾斜角θ１を有する反射面２０１で反射されることから、多重反射によって太陽電池素子３０の側へ確実に集束され太陽電池素子３０に照射される照射光量を増大することとなる。

なお、１次光学系部材１００と太陽電池素子３０との間に、壁板部２００を備えることから、１次光学系部材１００と太陽電池素子３０との間を保護する筐体が不要となり軽量化を図ることができる。つまり、１次光学系部材１００と壁板部２００で構成される空間は、構造体であると共に、そのまま太陽光を集光、集束する空間として有効に利用できることから、構成部材を低減して低コスト化、軽量化を図ることが可能となる。

また、太陽光Ｌｓを反射面２０１で太陽電池素子３０方向へ反射することから、フレネルレンズ１０２の焦点位置ＦＰ（図７参照。）に対する太陽電池素子３０（レシーバ基板２０）の位置を高精度に制御する必要がなく、太陽電池素子３０と１次光学系部材１００との間の間隔（ワーキング距離Ｄｗ）を小さくすることが可能となり、さらに軽量化、薄型化を図ることができる。

したがって、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子３０と１次光学系部材１００との位置決めを高精度化し、直達光Ｌｓｄに加えて散乱光Ｌｓｓを反射させて太陽電池素子３０への太陽光Ｌｓの照射光量を増大させ、集光効率、ひいては発電効率を向上させることができる。

つまり、本実施の形態では、壁板部２００および反射面２０１を設けることにより、散乱光Ｌｓｓについても太陽電池素子３０へ照射させることが可能となる。したがって、フレネルレンズ１０２の精度、温度特性による影響を抑制して発電効率および稼動性能を向上させた太陽電池モジュール１とすることが可能となる。なお、太陽電池モジュール１の軽量化に伴う稼動性能の向上によって、例えば追尾駆動での駆動負荷の発電電力に対する比率を低減させることが可能となる。

上述したとおり、１次光学系部材１００の受光面に垂直に入射された太陽光Ｌｓ（Ｌｓｖ）は、１次光学系部材１００で集光され２次光学系部材５０（太陽電池素子３０）へ直接照射される直達光Ｌｓｄと、例えば、フレネルレンズ１０２の歯間境界領域に入射したことからフレネルレンズ１０２によっても集光されない散乱光Ｌｓｓとに概ね区分される。また、１次光学系部材１００の受光面に対して斜め方向から入射する太陽光Ｌｓ（Ｌｓｉ）もフレネルレンズ１０２では集光されないことから散乱光Ｌｓｓとなる。

直達光Ｌｓｄは、２次光学系部材５０に向けて集光され太陽電池素子３０へ照射される。他方、散乱光Ｌｓｓは、２次光学系部材５０に向けての集光はされない。しかし、散乱光Ｌｓｓは、壁板部２００の表面に形成された反射面２０１によって太陽電池素子３０の方向へ反射（多重反射）され、２次光学系部材５０に集束される。壁板部２００は、レシーバ基板２０（太陽電池素子３０の受光面）に対して４５度以上の第１傾斜角θ１で傾斜させてあることから、散乱光Ｌｓｓを２次光学系部材５０へ高精度に集束して太陽電池素子３０に照射することが可能となる。

つまり、本実施の形態では、１次光学系部材１００によって集光される直達光Ｌｓｄと、反射面２０１によって集束される散乱光Ｌｓｓとを２次光学系部材５０（太陽電池素子３０）へ照射させることとなり、集光効率、発電効率を向上させることが可能となる。

なお、第１傾斜角θ１の角度は、太陽電池素子３０と１次光学系部材１００との距離、反射面２０１の特性などを勘案して４５度以上９０度未満の範囲で適宜最適値を求めることが可能である。

壁板部２００は、１次光学系部材１００を支持する強度を持たせた構成とされていることが望ましい。この構成により、構造を簡略化すると共に強度を確保することが可能となることから、製造工程を簡略化し、製造工数を低減することが可能となると共に複数の太陽電池モジュール１を並置して大容量の太陽光発電ユニットを容易に構成することができる。

壁板部２００は、例えば難燃性の熱可塑性ポリエステル樹脂などの非金属材料で形成されていることが望ましい。この構成により、太陽電池モジュール１の軽量化が可能となり、また、加工性が向上することから、製造工程ないし稼動時での取り扱いを容易化することができ、低コスト化を実現することができる。

反射面２０１は、屈折率の異なる複数層の高分子材料膜（透光膜）を積層して高い反射率を持たせた高反射率膜を壁板部２００に積層することによって構成されている。つまり、反射面２０１は、非金属膜である２種類の高分子材料を積層して形成した高反射率膜によって形成することが可能である。

高反射率膜は、例えば、第１の高分子材料としてのポリエステル樹脂（２−ビニルテトラヒドロフラン）、第２の高分子材料としての２，３−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料を適宜積層する事によって形成することが可能である。

例えば、ポリエステル樹脂（２−ビニルテトラヒドロフラン）の屈折率は約１．５５であり、単層膜の厚さは約１４５ｎｍとした。また、２，３−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料の屈折率は約１．８８であり、単層膜の厚さは約１２０ｎｍとした。この２種類の高分子材料膜（透光膜）を交互に例えば５０層ないし５００層積層することによって形成した高反射率膜を壁板部２００に張り付けて反射面２０１を形成した。

また、それぞれ単層では透光性を有する、第１の高分子材料（ポリエステル樹脂（２−ビニルテトラヒドロフラン））と、第２の高分子材料（２，３−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料）とを組み合わせることによって、後述するとおり、特定の波長領域に対して異なる光学特性を実現することが可能となった。

つまり、反射面２０１（高反射率膜）を、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜（反射面２０１）とすることができた。

したがって、太陽電池素子３０での光電変換に有効に作用する波長領域の太陽光Ｌｓのみを太陽電池素子３０へ反射させ、光電変換に寄与しない不要な波長領域の太陽光Ｌｓは太陽電池素子３０への集光を防止することが可能となり、発電効率、耐熱性を向上させることが可能となる。

上述した第１の高分子材料と第２の高分子材料との組み合わせによって形成した選択反射膜（高反射率膜）は、波長１２００ｎｍ超の太陽光Ｌｓを透過し、波長１２００ｎｍ以下の太陽光Ｌｓを反射させることが可能となった。

したがって、光電変換に寄与しない長波長領域（波長１２００ｎｍ超）の太陽光Ｌｓによる太陽電池素子３０での温度上昇を防止することが可能となり、温度特性と発電効率を向上させることが可能となる。

また、上述した第１の高分子材料と第２の高分子材料との組み合わせによって形成した選択反射膜（高反射率膜）は、波長１２００ｎｍ以下の太陽光Ｌｓに対する反射率は、９０％以上とすることが可能であった。したがって、選択した特定の波長での太陽光Ｌｓの反射を確実かつ容易に実現することが可能となる。

なお、選択反射膜の反射率を９０％以上とする条件は、選択する高分子材料の屈折率によって影響されるが、上述した２種類の高分子材料の組み合わせに限らず、例えば３種類の高分子材料の組み合わせによっても実現することが可能である。

また、反射面２０１を構成する高反射率膜（選択反射膜）は、例えば、シート（もしくはフィルム）をタイル状に壁板部２００に張り付けて形成することが可能である。つまり、高反射率膜（選択反射膜）は、壁板部２００に張り付けてあることが望ましい。この構成により、大面積の反射面２０１を容易に均一性良く形成することが可能となる。

高反射率膜としては、上述した高分子材料の組み合わせの他に、例えば無機レジスト、フッ素コーティング材料などを適用することが可能である。また、低コストの白色膜によれば、選択反射は困難であるが、多重反射の効果があり、高反射率膜として適用することが可能である。

また、高反射率膜に対して透明なシリコーン膜を被覆形成することが望ましい。例えば、壁板部２００に高反射率膜をタイル状で張り付けた場合、シリコーン膜をタイル相互間に生じた目地に対して少なくとも局部に形成することが望ましい。つまり、シリコーン膜をタイル相互間の目地に対する充填剤として作用させることとなり、反射特性をさらに向上させることが可能となる。なお、透明シリコーン膜は、２次光学系部材５０、２次光学系ホルダ５１などを配置する前に形成することが望ましい。

シリコーン膜の被覆形成は、例えばスプレーなどによるシリコーン樹脂の噴霧によって行なうことが可能である。噴霧形態で被覆形成することにより、確実に薄膜化、均一化を図ることが可能となる。

シリコーン膜は、各部材相互間のシール材として機能させることも可能である。例えば、レシーバ基板２０、壁板部２００の位置決めをした状態で、透明シリコーン樹脂を噴霧することにより、各部材相互の位置を仮固定することが可能となり、設置の際の光学的な位置ズレを抑制することができる。

また、選択反射膜（反射面２０１）は、壁板部２００の受光面全領域に配置することが可能である。あるいは、光エネルギー密度の低い受光面領域には、低コストの全反射膜（波長に対する選択特性の無い反射膜）を配置し、高い光エネルギー密度の受光面領域には、選択反射膜を配置して、コストの低減を図ることも可能である。

上述したとおり、太陽電池素子３０はＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅを用いた３接合化合物半導体タンデム太陽電池（太陽電池素子）であるとしたが、他の材料を用いた太陽電池素子とすることも可能である。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅなど他の無機材料で構成した太陽電池素子に対して同様に適用することが可能である。

また、太陽電池素子の構造としては、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル、波長感度領域の異なる種々の太陽電池素子セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造に対して適用することが可能である。

図２は、図１に示した太陽電池モジュールの太陽電池素子の実装状態および２次光学系部材の構成の概略を透視的に示す透視側面図である。

太陽電池素子３０は、レシーバ基板２０にボンディング（接続）してあり、さらに樹脂封止枠３５、樹脂封止部３６で樹脂封止され、樹脂封止部３６の表面に接着された透光性被覆板３７で保護されている。なお、樹脂封止枠３５は例えば白色のシリコーン樹脂を、樹脂封止部３６は例えば透明のシリコーン樹脂を、透光性被覆板３７は例えばガラスをそれぞれ適用して形成した。

２次光学系部材５０を保持する２次光学系ホルダ５１は、例えば樹脂封止枠３５に接着され固定されている。また、２次光学系部材５０は、透光性被覆板３７に密着させて光路での損失を生じない態様とされている。また、２次光学系部材５０および２次光学系ホルダ５１を樹脂封止枠３５に対して内側に配置することにより、太陽光Ｌｓがレシーバ基板２０に対して直接照射されない構成とされている。なお、透光性被覆板３７と２次光学系部材５０を一体に形成することも可能である。

上述したとおり、太陽電池素子３０に近接して配置された２次光学系部材５０は、１次光学系部材１００を透過し凸状曲面５０ｓを介して入射された太陽光Ｌｓを集束させ太陽電池素子３０に照射する。つまり、均一性のよい太陽光Ｌｓが、樹脂封止枠３５の内側に配置され太陽電池素子３０を樹脂封止している樹脂封止部３６および透光性被覆板３７を介して太陽電池素子３０に照射することとなる。

したがって、２次光学系部材５０に入射された太陽光Ｌｓは、各波長領域の太陽光Ｌｓを混合することとなり、色収差／強度ムラが平均化され、光電変換効率を向上させ、光電変換の信頼性を向上させることが可能となる。

また、２次光学系部材５０は、高いエネルギー密度に集光された太陽光Ｌｓによる太陽電池素子３０への影響を抑制することが可能となる。つまり、集光された太陽光Ｌｓの高いエネルギー密度により太陽電池素子３０のセル温度が大幅に上昇し、太陽電池素子３０の光電変換効率および発電電力の低下をもたらす恐れがあるが、２次光学系部材５０を配置することによって、高いエネルギー密度を緩和し太陽電池素子３０の特性低下を防止することが可能となる。

なお、太陽電池素子３０の外形サイズ（チップサイズ）は、使用する太陽電池素子材料の削減、加工の容易さ、製造工程の容易性／簡略化などの観点から、数ｍｍ程度から１０ｍｍ程度までとすることが望ましい。

太陽電池素子３０が発生した電流は、レシーバ基板２０に形成された配線により太陽電池素子３０の外部へ適宜取り出す構成とされている。レシーバ基板２０に形成された配線は、信頼性の高い絶縁性を確保する必要があることから、例えば、銅箔で形成された接続パターンを有機材料などの絶縁膜で被覆して絶縁する構成とされている。

レシーバ基板２０は、例えばアルミニウム板、銅板などのベース基台に適宜の絶縁層を介して所望のパターンに形成された配線が設けられている。つまり、レシーバ基板２０に設けられた配線は、太陽電池素子３０の電極（不図示）に接続され、また、外部への取り出しを行なう接続パターン（不図示）を備えている。

レシーバ基板２０の外部への取り出しを行なう接続パターンに対して適宜の配線を施すことにより、複数の太陽電池素子３０相互間を直列／並列に接続することが可能となり、太陽電池モジュール１を複数備える太陽光発電ユニット３００（図６参照）を形成することが可能となる。

なお、２次光学系部材５０は、上述したとおり例えばガラスで構成することが望ましい。ガラスで構成することによって、耐熱性、耐候性を向上させ、太陽光Ｌｓに対する集束を効果的に実行することが可能となる。また、２次光学系ホルダ５１は、機械的強度、放熱性などを考慮して例えば、壁板部２００と同質の合成樹脂または金属部材で構成することが可能である。

＜実施の形態２＞
図３に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。

本実施の形態に係る太陽電池モジュール１の基本構成および作用効果は、実施の形態１に係る太陽電池モジュール１と同様であるので、主に異なる事項について説明する。

本実施の形態では、実施の形態１で適用した２次光学系部材５０が除去されている。したがって、壁板部２００は、２次光学系部材５０を介さずに太陽光Ｌｓを太陽電池素子３０に対して照射することとなる。

また、壁板部２００の傾斜角を２段階とされている。つまり、１次光学系部材１００に近い側の第１傾斜角θ１に対して、太陽電池素子３０（レシーバ基板２０）に近い側（実施の形態１の２次光学系部材５０に対応する領域）の第２傾斜角θ２をさらに大きくされている。したがって、太陽電池素子３０に近い側で太陽電池素子３０の方向への太陽光Ｌｓの反射性を確実に向上させて、太陽電池素子３０に対する照射光量を増加させることが可能となる。

また、壁板部２００で第２傾斜角θ２とされている領域に対しても反射面２０１が形成されている。したがって、太陽光Ｌｓを第２傾斜角θ２とされている領域に集束させて太陽電池素子３０へ照射させることが可能となり、実施の形態１と同様に、直達光Ｌｓｄに加えて散乱光Ｌｓｓを反射させて太陽電池素子３０へ照射することができるので、集光効率を向上させ太陽電池モジュール１の発電効率を向上させることが可能となる。

また、壁板部２００には反射面２０１（高反射率膜）が形成されているが、実施の形態１の場合と異なり、１次光学系部材１００に近い領域では反射面２０１を形成しない態様とされている。つまり、太陽電池素子３０から遠く、散乱光Ｌｓｓの反射面２０１での反射による効果が少ない領域での反射面２０１の形成を省略することによって、反射面２０１に対する形成コストの低減を図ることが可能となる。

なお、樹脂封止枠３５、樹脂封止部３６、透光性被覆部３７は、実施の形態１と同様である。

＜実施の形態３＞
図４に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。

図４は、本発明の実施の形態３に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。

本実施の形態に係る太陽電池モジュール１の基本構成および作用効果は、実施の形態１、実施の形態２に係る太陽電池モジュール１と同様であるので、主に異なる事項について説明する。

本実施の形態では、実施の形態１で適用した２次光学系部材５０が除去されている。したがって、壁板部２００は、２次光学系部材５０を介さずに太陽光Ｌｓ（散乱光Ｌｓｓ）を太陽電池素子３０ｓに対して照射することとなる。

また、１次光学系部材１００を板ガラス１０１と反射防止膜１０３で構成し、フレネルレンズ１０２を省略している。したがって、１次光学系部材１００によるいわゆる集光はなされない形態としている。

したがって、太陽電池素子３０ｓに照射される太陽光Ｌｓは、実施の形態１、実施の形態２に比較してエネルギー密度を抑制することが可能となっている。したがって、太陽電池素子３０ｓとして、化合物半導体に比較して高温での光電変換効率が低いシリコン系材料（例えば結晶シリコン）で形成したものを適用することが可能となる。

なお、壁板部２００は単一の傾斜角（第１傾斜角θ１：図示省略）で構成されているが、集光レンズに対応させた設定が不要であることから、傾斜角の設計の自由度は大きくなる。また、反射面２０１は、壁板部２００の全面に形成した状態を示す。壁板部２００の傾斜角は、実施の形態２と同様に２段階とすることが可能である。また、反射面２０１は、実施の形態２と同様に限定的に形成することが可能である。

＜実施の形態４＞
図５に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。

図５は、本発明の実施の形態４に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。

本実施の形態に係る太陽電池モジュール１の基本構成および作用効果は、実施の形態１に係る太陽電池モジュール１と同様であるので、主に異なる事項について説明する。

本実施の形態では、実施の形態１で適用した１次光学系部材１００をガラス板から形成されたフレネルレンズ１０２のみで構成したものである。

また、２次光学系部材５０の壁板部２００（２次光学系ホルダ５１）に対向する面に２次側反射膜５０ｒが形成されている。２次側反射膜５０ｒは、例えば実施の形態１の選択反射膜と同様の特性を備えた形態とすることが望ましい。この構成により、２次光学系部材５０に集束された太陽光Ｌｓによる温度上昇を抑制し、太陽電池素子３０の温度特性を向上させることが可能となる。

なお、本実施の形態に係る２次側反射膜５０ｒは、実施の形態１に対しても適用することが可能である。この場合には、実施の形態１の作用効果をさらに改善することが可能となる。

＜実施の形態５＞
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの基本構成および作用効果は、実施の形態１に係る太陽電池モジュール１と同様であるので、図は省略し、主に異なる事項について説明する。

実施の形態１では、反射面２０１として非金属膜つまり高分子材料膜を多層構造として適用したが、本実施の形態では、多層高分子材料膜の代わりに２層構造の反射膜を使用する。いろいろな金属材料と非金属材料とを組み合わせて製膜することが可能であるが、本実施の形態では、例えばアルミニウムと酸化シリコンを使用した。

熱可塑性ポリエステル樹脂で構成した壁板部２００に対して真空蒸着法を適用し、例えばアルミニウム膜を形成する。蒸着時の真空度は１×１０-6Ｔｏｒｒとし、形成膜厚は約３μｍ程度とする。また、形成したアルミニウム膜の上に０．２μｍ程度の酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）を蒸着し、アルミニウム膜を保護する。

したがって、既存の太陽電池製造プロセスで使用される製造装置と製造方法をそのまま適用することができるので、反射面２０１（高反射率の反射膜）を容易かつ高精度に形成することが可能となる。

また、壁板部２００の形状は実施の形態２と同様に２段階とすることが可能である。

＜実施の形態６＞
図６に基づいて、本実施の形態に係る太陽光発電ユニットについて説明する。

図６は、本発明の実施の形態６に係る太陽光発電ユニットの全体構成の概略を俯瞰的に示す斜視図である。

本実施の形態に係る太陽光発電ユニット３００は、実施の形態１ないし実施の形態４で記載した太陽電池モジュール１を複数配置して構成したものである。したがって、直達光Ｌｓｄおよび散乱光Ｌｓｓを大面積で効率よく太陽電池素子３０へ照射して発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させ、発電電力の大きい太陽光発電ユニット３００とすることが可能となる。

太陽電池モジュール１は、必要な発電電力、可能な設置面積などの用途に応じて、複数を直列あるいは並列で長尺状フレーム３１０に沿って配置され、太陽光発電ユニット３００として構成される。なお、太陽電池モジュール１は、長尺状フレーム３１０とは異なる個別のフレームに配置することにより独立した形態とすることも可能である。

太陽光発電ユニット３００は、支柱３２０に支持されて、追尾機構部（不図示）により水平方向の回転Ｒｏｔｈ、垂直方向の回転Ｒｏｔｖにより太陽を追尾する方向へ自動的に駆動され、太陽電池モジュール１の表面に配置された１次光学系部材１００（入射面）を太陽光Ｌｓに対して垂直方向へ向ける構成とされている。つまり、いわゆる追尾集光型太陽光発電装置として構成されている。

なお、追尾機構部（追尾駆動システム）は、太陽の方位に１次光学系部材１００（入射面）を向けるための方位軸と、太陽の高度に１次光学系部材１００（入射面）を傾けるための傾倒軸との２軸別々の追尾駆動装置によって構成されていることから、太陽を高精度に追尾することが可能となる。

追尾駆動システムの動力系としては、モーターと減速機を用いてギヤを所定の回転数で回転させて所定の方向に駆動させる方法、油圧ポンプと油圧シリンダーを用いて所定の長さにシリンダーを調節することにより所定の方向に駆動させるといった方法があり、どちらの方法を用いても良い。

追尾駆動システムの動作を制御する追尾駆動システムの内部に搭載された時計によって予め太陽の軌道を計算し、太陽の向きに太陽電池モジュールを向かせるように制御する方法、追尾駆動システムにホトダイオードなどからなる太陽センサーを取り付けて太陽方向を随時モニターし制御する方法などが太陽光追尾方法として知られており、いずれの方法を用いても良い。

実施の形態１ないし実施の形態４で、太陽電池モジュール１は、筐体を不要とすることが可能であると説明したが、本実施の形態で示したとおり必要に応じ適宜外部に筐体（例えば上述した長尺状フレーム３１０）を配置することが可能である。

＜実施の形態７＞
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの基本構成および作用効果は、実施の形態５に係る太陽電池モジュールと同様であるので、図は省略し、主に異なる事項について、図９に基づいて説明する。

図９は、本発明の実施の形態７を説明するための図であり、米国基準協会（American Society for Testing and Materials(ＡＳＴＭ) Terrestrial Reference Spectra for
Photovoltaic Performance Evaluation)により開示されている直達光のスペクトルである。

本実施の形態で使用される太陽電池素子３０は、例えば、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの層構造を有する３接合化合物半導体タンデム太陽電池（太陽電池素子）である。この太陽電池素子３０のボトムセルとするＧｅセルは分光感度が長波長領域１９００ｎｍまで達し、トップセルとするＩｎＧａＰセル及びミドルセルとするＩｎＧａＡｓセルの光電流（Iph)より大幅に大きい。長波長領域１３００ｎｍまでの分光感度範囲での吸収で、ＩｎＧａＰトップセルとＩｎＧａＡｓミドルセルとほぼ同様な光電流（Iph)が得られる。トップセル及びミドルセルとボトムセルが直列接続しているため、３接合化合物半導体タンデム太陽電池の光電流は３つのセルの中、最小光電流で左右される。つまり、波長領域１３００ｎｍまでの入射光を採集すれば、十分なタンデム太陽電池電流整合をとることができる。従って、波長領域１３００ｎｍ以上長波長領域での光を除けば、不要な波長領域の太陽光は太陽電池素子への集光を防止することが可能となり、発電効率、耐熱性を向上させることが可能となる。

しかし、選択反射膜を作製する際に、膜材料の屈折率や、膜厚の誤差などにより、反射特性の変動に影響される。図９に示すように、大気層による吸収で波長領域１３８０ｎｍ
付近には谷形状のスペクトルがあり、選択反射膜の反射波長閾値を１３８０ｎｍとすれば、膜厚あるいは屈折率において多少の変動があっても選択反射膜の反射特性に影響が少なくなり、選択反射膜の反射特性の安定性が改善される。

また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、選択反射膜は、真空蒸着により形成された少なくとも２層の積層膜で構成できるが、コストの面から非真空作製方法が望ましい。

本実施形態において選択反射膜の支持板とする壁板部２００は、難燃性の熱可塑性ポリエステル樹脂の材質から構成される。

反射面２０１は、屈折率の異なる複数層の高分子材料膜（透光膜）を積層して高い反射率を持たせた高反射率膜を壁板部２００に積層することによって構成されている。つまり、反射面２０１は、非金属膜である２種類の高分子材料を積層して形成された高反射率膜によって形成することが可能である。

高反射率膜は、例えば、第１の高分子材料としてのポリエステル樹脂（２−ビニルテトラヒドロフラン）、第２の高分子材料としての２，３−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料を適宜積層することによって形成可能である。

例えば、ポリエステル樹脂（２−ビニルテトラヒドロフラン）の屈折率は約１．５５であり、単層膜の厚さは約２２３ｎｍとした。また、２，３−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料の屈折率は約１．８８であり、単層膜の厚さは約１８４ｎｍとした。この２種類の高分子材料膜（透光膜）を交互に、例えば、２０層乃至２００層積層することによって形成された高反射率膜を壁板部２００に張り付けて反射面２０１を形成した。

なお、選択反射膜の反射率を９０％以上とする条件は、選択する高分子材料の屈折率によって影響されるが、上述した２種類の高分子材料の組み合わせに限らず、例えば、３種類の高分子材料の組み合わせによっても実現することが可能である。

なお、反射面２０１を構成する高反射率膜は、例えば、シート（もしくはフィルム）をタイル状に壁板部２００に張り付けて形成することが可能である。つまり、高反射率膜（選択反射膜）は、壁板部２００に張り付けることが望ましい。この構成により、大面積の反射面２０１を容易に、かつ均一性良く形成することが可能となる。

高反射率膜としては、上述した高分子材料の組み合わせの他に、例えば、無機レジスト、フッ素コーティング材料などを適用することが可能である。また、低コストの白色膜によれば、選択反射は困難であるが、多重反射の効果があり、高反射率膜として適用することが可能である。

最終のシリコーン膜の保護被覆は、スプレーなどによるシリコーン樹脂の噴霧によって行われ、Ｖ字型の光採集構造（壁板部２００及び選択反射面２０１）が形成される。

本発明の太陽電池モジュールは、集光効率、発電効率、耐熱性に優れ、経済性も期待されることから、太陽光発電など、好適に利用できる。また、本発明の太陽電池モジュールを搭載した太陽光発電ユニットは、優れた発電効率、経済性にも期待できるものであり、軽量化による稼動性能の観点からも有益である。

Claims (8)

1. 照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する１次光学系部材とを備える太陽電池モジュールであって、
   前記レシーバ基板に載置され前記レシーバ基板に対して４５度以上の第１傾斜角で傾斜させて前記１次光学系部材に連結された壁板部と、
   該壁板部の表面に形成され前記１次光学系部材から透過された太陽光を反射する反射面とを備え、
   前記反射面は、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜で形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記請求項１に記載の太陽電池モジュールであって、
   前記壁板部は、前記１次光学系部材を支持する構成とされていること
   を特徴とする太陽電池モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽電池モジュールであって、
   前記壁板部は、非金属材料で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. 請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
   前記１次光学系部材は、集光レンズを備えること
   を特徴とする太陽電池モジュール。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
   前記選択反射膜は、波長１２００ｎｍ超の太陽光を透過し、波長１２００ｎｍ以下の太陽光を反射させること
   を特徴とする太陽電池モジュール。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
   前記選択反射膜は、波長１３８０ｎｍ超の太陽光を透過し、波長１３８０ｎｍ以下の太陽光を反射させること
   を特徴とする太陽電池モジュール。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
   前記太陽電池素子に近接して配置され前記１次光学系部材を透過した太陽光を集束する２次光学系部材を備えること
   を特徴とする太陽電池モジュール。
8. 太陽電池モジュールを複数配置して構成された太陽光発電ユニットであって、
   前記太陽電池モジュールは、請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであることを特徴とする太陽光発電ユニット。

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