JP2010258034A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光の利用率が高く、発電効率の良い太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 本発明は、入射光を太陽電池セル４に向けて反射させると共に、反射面が凹凸状に形成された反射板を備えた太陽電池モジュールにおいて、反射板を、光を拡散反射させる材質を有する拡散反射板６によって構成した。太陽電池モジュール１に入射する太陽光のうち一部は太陽電池セル４の表面に入射し、残りは太陽電池セル４の間を通って拡散反射板６に入射する。拡散反射板６に入射した太陽光は拡散反射するため、太陽電池セル４の裏面に入射する光の割合が高くなり、発電効率の高い太陽電池モジュールとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射板を備えた集光型の太陽電池モジュールに関するものである。

従来、このような分野の技術として、特開２００１−１１９０５４号公報がある。この公報に記載された太陽電池モジュールは、エチレン・ビニル・アセチレート樹脂（ＥＶＡ樹脂）からなる透明部材内で離間して配置された複数枚の両面光入射型の太陽電池セルを備えている。透明部材の表面側にはガラス製の透明部材が配置され、裏面側にはアルミニウム又はステンレス製の基板（反射板）が配置されている。この基板は、透明部材と当接する側の面が光を正反射させるための反射面として形成されると共に、連続するＶ字状に形成されている。モジュールの透明板から入射した太陽光は、太陽電池セルの表面側に直接光として入射される。さらに、隣り合う太陽電池セル間を通り抜けて基板に達した太陽光は、基板の反射面で反射して太陽電池セルの裏面側に間接光として入射される。このような構成の太陽電池モジュールは、隣り合う太陽電池セル間に入射した光を有効に利用でき、発電効率の向上を図ることができる。

特開２００１−１１９０５４号公報

しかしながら、前述した従来の太陽電池モジュールでは、太陽光の入射角度によっては基板の反射面で正反射した反射光が再び太陽電池セル間を通ってモジュール表面側に進む場合がある。この場合には、基板の反射面で反射した間接光が太陽電池セルに入射せず、間接光の取り逃がしが生じて発電効率が悪くなるといった問題があった。

本発明は、光の利用率が高く、発電効率の良い太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、入射光を太陽電池セルに向けて反射させると共に、反射面が凹凸状に形成された反射板を備えた太陽電池モジュールにおいて、
反射板は、光を拡散反射させる材質を有することを特徴とする。
この発明にあっては、反射板によって光を拡散反射させるので、従来のように、光を正反射させる反射板を用いた場合と比較して太陽電池セルに入射する反射光の割合を高め、発電効率を向上させることができる。

反射面は、略等しい形状のＶ字面の連続によって形成され、
太陽電池セルのディテクタ幅と、太陽電池セルに対面する１つの前記Ｖ字面の幅との比が、０．４〜１であると好適である。
このような形状の反射板にあっては、幅の比がこのような条件の下で、従来のように、光が正反射する反射板を用いた場合と比較して高効率な太陽電池モジュールを得ることができる。

また、反射板を、多層構造体とすることが好ましい。
これにより、光を界面反射を用いて拡散させることができ、金属の表面にアルミや銀を蒸着して反射面を形成する場合と比較して材料や加工のコスト削減を図ることができる。

本発明によれば、光の利用率が高く、発電効率の良い太陽電池モジュールが可能となる。

本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態を示す断面図である。 拡散反射板の構造例を示す断面図である。 太陽電池モジュールの積層構造を示す分解斜視図である。 モジュール幅とディテクタ幅の関係を示す断面図である。 正反射モジュールと拡散反射モジュールとの出力の関係を示すグラフである。 集光性を高めた反射板形状を用いた場合における正反射モジュールと拡散反射モジュールとの出力の関係を示すグラフである。 片面受光型の太陽電池モジュールを示す断面図である。 第１の実施例における太陽電池モジュールの断面図である。 第１の実施例における正反射モジュールと拡散反射モジュールとの出力の関係を示すグラフである。 第１の実施例における正反射モジュールと拡散反射モジュールとの光利用率の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る太陽電池モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、自動車にも適用可能な集光型の太陽電池モジュール１は、太陽光が直接入射する屋外などに設置され、効率の良い太陽光発電を可能にしている。この太陽電池モジュール１は、太陽光の入射を可能にした略均一な厚みの前面基板２を有している。この前面基板２に固着された封止部３内には、マトリックス状に配列された太陽電池セル４が封入され、封止部３に利用される封止材としては、ＥＶＡ樹脂が用いられている。ここで太陽電池セル４は、太陽光を両面で捕らえることができるものを利用する。

封止部３の表面側に配置された前面基板２に対面するように、封止部３の裏面側には、背面基板５が固着されている。この背面基板５は、封止部３に固着される平面５ａと、この面に対向する連続したＶ字面５ｂとを有し、このＶ字面５ｂは互いに略等しい形状をなしている。背面基板５は、ガラス、透明プラスティック（例えば、ポリカーボネート、アクリル等）、ＥＶＡ樹脂等の透明部材を用いる。また、加工法として、削り研磨加工やインジェクション加工、真空熱プレス加工、ダイレクトロール加工などがある。

背面基板５のＶ字面５ｂには、略等しいＶ字面６ａが連続してなる拡散反射板６が固着されている。背面基板５のＶ字形状と、拡散反射板６のＶ字形状とは互いに整合しており、両部材は隙間なく密着されている。この拡散反射板６として、ポリエステル系樹脂を用いた多層膜フィルムや金属基板に高反射プラスティックフィルムを貼り付けた基板など、拡散反射を促進する反射板であれば種々の材質のものを利用可能である。また、拡散反射板６を、樹脂を用いた多層または単層構造とすることにより、プレス曲げ加工によって容易に形成可能となり、金属の表面にアルミや銀を蒸着して反射面を形成する場合と比較して材料や加工のコスト削減を図ることができる。

図２（ａ）〜（ｄ）に異なる材質を多層にして構成された拡散反射板６１〜６４を示す。なお、これらの拡散反射板６１〜６４は、図中の上側の面が背面基板５に固着される。

図２（ａ）に示すように拡散反射板６１は、傷付け防止層６１ａ、ポリエステル樹脂層６１ｂ、高隠蔽層６１ｃの順で積層することによって構成されている。同様に、図２（ｂ）に示すように、拡散反射板６２は、傷付け防止層６２ａ、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）層６２ｂ、ポリエステル樹脂層６２ｃ、高隠蔽層６２ｄを積層することによって構成されている。

また、図２（ｃ）に示すように、拡散反射板６３は、プラスティック層６３ａ、特殊表面処理層６３ｂ、金属層６３ｃ、特殊表面処理層６３ｄ、プラスティック層６３ｅを積層することによって構成されている。さらに、図２（ｄ）に示すように、拡散反射板６４は、傷付け防止層６４ａ、ＰＥＴ層６４ｂ、ポリエステル樹脂層６４ｃ、高隠蔽層６４ｄ、金属基板６４ｅを積層することによって構成されている。

なお、傷付け防止層として二酸化ケイ素が利用できる。また、金属層や金属基板としてアルミニウムやステンレスが利用できる。さらに、ポリエステル層やプラスティック層として、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレートが利用できる。また、高隠蔽層として、ポリエチレンテレフタレート樹脂に二酸化チタンの微粒子を混入させたものが利用できる。

このように、拡散反射板６１〜６４を、多層構造体にすることで界面反射によって効率よく入射光を拡散反射させることができる。なお、単層構造の例として、一枚のＰＥＴ材によって拡散反射板６を形成してもよい。

次に太陽電池モジュールの製造方法について説明する。

図３に示すように、太陽電池モジュール１は、表面側から順に、前面基板２、シート状の封止材３Ａ、太陽電池セル４、封止材３Ｂ、背面基板５、拡散反射板６からなる。封止材３Ａ、３ＢはＥＶＡ樹脂が用いられ、封止材３Ａ、３Ｂ間に太陽電池セル４が挟み込まれる。

各部材を積層させた状態でラミネートを行い、各部材を一体化させて太陽電池モジュール１を製造する。このラミネートは、例えば真空時間１５分、プレス２５分、温度１４５℃の条件で行う。

なお、背面基板５としてＥＶＡ樹脂を用いてプレス成形を行う場合には、平板状の拡散反射板６を金型上にセットし、拡散反射板６上にＥＶＡ樹脂を積層させた状態で熱プレス加工を施すことによって、背面基板５と拡散反射板６とが一体化した背面部材を作製でき、更なる作製プロセスの短縮、低コスト化を図ることができる。

背面基板５がＥＶＡ樹脂でない場合には、背面基板５と拡散反射板６との間に透明接着層（ＥＶＡ樹脂等）を挟み込んで両者を一体化させる。

太陽電池モジュール１を上記のように構成したので、図１に示すように、拡散反射板６で光が拡散反射され、多くの反射光を太陽電池セル４に入射させることができる。

次に、太陽電池セル４のディテクタ幅とモジュール幅の比と、太陽電池モジュールの出力との関係について説明する。図４（ａ）に、ディテクタ幅とモジュール幅の比（ディテクタ幅／モジュール幅）が、１／２である太陽電池モジュール１の断面を示し、図４（ｂ）に、比が１／３である太陽電池モジュール１１の断面を示す。

ここで、ディテクタ幅は、太陽電池セル４、１４の検出領域の幅であり、モジュール幅は、太陽電池セル４、１４に対面する１つのＶ字面６ａの幅とする。なお、１つのＶ字面６ａは、対面する太陽電池セル４、１４への入射に寄与する反射面となっている。また、図４（ａ）、（ｂ）は、光の経路を明確に示すために太陽電池セル４、１４および拡散反射板６以外のハッチングを省略してある。さらに、図４（ａ）、（ｂ）における拡散反射板６の反射率は、９０％とする。

図４（ａ）に示すように、太陽電池モジュール１に入射した太陽光は太陽電池セル４の表面に入射し、拡散反射板６のＶ字面６ａで拡散反射した間接光は、太陽電池セル４の裏面に入射する。図４（ｂ）に示すように、太陽電池セル１４の大きさが小さくなると、図４（ａ）に示す太陽電池モジュール１と比較して、太陽電池モジュール１１では太陽電池セル１４の表面に入射する割合が少なくなる。さらに、拡散反射板６のＶ字面６ａで拡散反射した間接光が太陽電池セル１４の裏面に入射する割合も少なくなる。このように、ディテクタ幅とモジュール幅の比が、太陽電池モジュールの出力に影響を与える。

図４（ａ）に示すように、１つのＶ字面６ａが、対面する太陽電池セル４への入射に寄与する反射面である場合、太陽電池モジュール１の出力Ｐは、図５の拡散反射モジュールＰ＝ｇ（Ｘ）のグラフに示されるように、ディテクタ幅とモジュール幅の比Ｘに応じて変化する。グラフより、比Ｘが０．５よりも少し大きい値のときに出力Ｐは最大値となる。

ここで、図５において、光を正反射する反射板を用いた場合の太陽電池モジュールの出力Ｐを、正反射モジュールＰ＝ｆ（Ｘ）として示す。この太陽電池モジュールは、図４（ａ）に示す太陽電池モジュール１の拡散反射板６を、光を正反射する反射板に置き換えたものであり、反射板の形状は拡散反射板６と同じ形状とする。また、反射板の反射率は９０％とする。

この場合には、正反射モジュールの出力Ｐは、拡散反射モジュールＰ＝ｇ（Ｘ）が最大値となる比Ｘよりも０に近い側で最大値となる。また、拡散反射モジュールの出力Ｐの最大値は、正反射モジュールｆ（Ｘ）の出力Ｐの最大値よりも大きい値となる。Ｐ＝ｆ（Ｘ）とＰ＝ｇ（Ｘ）のグラフは、比Ｘが「０」、「ａ」、「１」のときに交差しており、比Ｘがａよりも大きい場合には、拡散反射板６を用いた太陽電池モジュール１の方が常に高い出力となる。なお、図５で示したＰ＝ｆ（Ｘ）、Ｐ＝ｇ（Ｘ）のグラフは、反射面の形状やディテクタ幅などをパラメータとし、光学シミュレーションによって推定可能である。

光学シミュレーションに用いる関数Ｐ＝ｆ（Ｘ）、ｇ（Ｘ）の具体例として、例えば次の式がある。
ｇ（Ｘ）＝１．４０Ｘ−Ｘ^２
ｆ（Ｘ）＝９．９７Ｘ^６−２８．９４Ｘ^５＋２７．５７Ｘ^４
−５．５６Ｘ^３−５．８９Ｘ^２＋３．１８Ｘ
Ｐ＝ｆ（Ｘ）＝ｇ（Ｘ）を満たすＸの値は、「０」と、「ａ＝略０．４」と、「１」である。

このように、反射板の形状が連続する略等しいＶ字状であり、かつ、ディテクタ幅／モジュール幅の比Ｘが「ａ」以上となる構成のときに、拡散反射板を利用すると、正反射する反射板を用いた場合と比較して、光の利用効率が高く、高効率な太陽電池モジュールを得ることができる。

次に、前述した拡散反射板６よりも集光性が高められた形状の拡散反射板を備えた太陽電池モジュールの出力について説明する。集光性が高められた形状とは、例えば、図１に示した１つのＶ字面６ａを、Ｗ状に形成したり、凹レンズ状に形成したりすることである。

集光性が高められた形状の拡散反射板を備えた太陽電池モジュールの出力Ｐは、図６の拡散反射モジュールＰ＝ｇ（Ｘ）のグラフに示されるように、比Ｘが増加するにしたがって大きくなる。一方、この拡散反射板に替えて光を正反射する反射板を用いた太陽電池モジュールの出力Ｐも、図６の正反射モジュールＰ＝ｆ（Ｘ）のグラフに示されるように、比Ｘが増加するにしたがって大きくなる。Ｐ＝ｆ（Ｘ）とＰ＝ｇ（Ｘ）のグラフは、Ｘ＝０、１以外で交差することはなく、拡散反射板を用いた太陽電池モジュールの方が常に高い出力になっている。

したがって、Ｐ＝ｇ（Ｘ）＝ｆ（Ｘ）を満たす解がＸ＝０、１のみである場合には、ディテクタ幅によらず、反射面として拡散反射板を用いた方が、光の利用効率が高く、高効率な太陽電池モジュールを得ることができる。

上記実施形態では、太陽電池セルの両面で光を受光するタイプの太陽電池モジュールについて説明したが、図７に示すように、太陽電池セルの片面でのみ太陽光を受光するタイプの太陽電池モジュール２１にも、光を拡散反射させる拡散反射板２６を用いることができる。この場合には、拡散反射板２６上に太陽電池セル２４が配置され、太陽電池セル２４を覆うようにして拡散反射板２６上に封止部２３が配置される。拡散反射板２６の太陽電池セル２４側の面のうち、太陽電池セル２４間の部分が、光を拡散反射させるＶ字面２６ａとなっている。

太陽電池モジュール２１に入射した太陽光のうち、Ｖ字面２６ａで拡散反射された間接光は封止部２３の表面側に進む。この間接光は封止部２３の表面で界面反射し、再び太陽電池セル２４側に向かって進む。Ｖ字面２６ａで光が拡散反射しているため、封止部２３の表面で界面反射した光のうち太陽電池セル２４に入射する光の割合が多くなり、太陽電池モジュール２１の発電効率が高まる。このように、太陽電池セルの片面で受光するタイプの太陽電池モジュールにおいても、光を拡散反射させる反射板を用いることにより、発電効率を向上させることができる。

次に、太陽光を太陽電池セルの両面で受光するタイプの太陽電池モジュールを製作し、光を拡散反射させる拡散反射板を用いた場合と、光を正反射させる反射板を用いた場合での太陽電池モジュールの出力の比較、および光の入射角度を変更した場合の光利用率の比較結果について説明する。

図８に示すように太陽電池モジュール３１を、前面基板３２の厚みが２ｍｍ、封止部３３の厚みが０．９ｍｍとなるように製作し、さらに、拡散反射板３６を、Ｗ字面３６ａが連続する形状とし、Ｗ字面３６ａおよび背面基板３５を図に記載された寸法で製作する。また、太陽電池セル３４のディテクタ幅を１５ｍｍとし、モジュール幅を３０ｍｍとする。さらに、拡散反射板３６の反射率は９０％とする。なお、図８は、太陽電池モジュールを模式的に示したものであり、各部材の厚み等は実際の比率とは異なる。

このような拡散反射板３６を用いた場合の太陽電池モジュール３１の出力Ｐは、ディテクタ幅／モジュール幅をＸとすると、図９のＰ＝ｇ（Ｘ）のグラフに示す値となった。また、拡散反射板３６を、光を反射率９０％で正反射させる反射板に置き換えた太陽電池モジュールの出力Ｐは、図９のＰ＝ｆ（Ｘ）のグラフで示す値となった。図９に示されるように、Ｐ＝ｆ（Ｘ）＝ｇ（Ｘ）の解は、Ｘ＝０、１のみであり、この場合には、ディテクタ幅によらず、拡散反射板３６を用いた太陽電池モジュール３１の方が、正反射する反射板を用いた場合と比較して常に高い出力となることが分かる。

また、図１０に、太陽電池セルに対する太陽光の入射角度を変更した場合の光の利用率を示す。この光入射角度は、水平に配置された太陽電池セルの面上を通る鉛直線から何度傾斜させたかを表している。

太陽電池セルの面上を通る鉛直線から太陽光の入射角度を変化させていくと、拡散反射板３６を用いた太陽電池モジュール３１、および正反射する反射板を用いた太陽電池モジュール共に光の利用率が低下する。しかしながら、どの傾斜角度においても、拡散反射板３６を用いた太陽電池モジュール３１の方が、正反射する反射板を用いた太陽電池モジュールよりも約２％以上、光の利用率が高い。したがって、拡散反射板を用いることにより、光を正反射させる反射板を用いた場合と比較して、どの角度で入射する太陽光に対しても光の利用効率が向上する。

１，１１，２１，３１…太陽電池モジュール、２，３２…前面基板、３，２３，３３…封止部、４，１４，２４，３４…太陽電池セル、５，３５…背面基板、６，２６，３６，６１，６２，６３，６４…拡散反射板、５ｂ，６ａ，２６ａ…Ｖ字面、３６ａ…Ｗ字面。

Claims (3)

1. 入射光を太陽電池セルに向けて反射させると共に、反射面が凹凸状に形成された反射板を備えた太陽電池モジュールにおいて、
   前記反射板は、光を拡散反射させる材質を有することを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記反射面は、略等しい形状のＶ字面の連続によって形成され、
   前記太陽電池セルのディテクタ幅と、前記太陽電池セルに対面する１つの前記Ｖ字面の幅との比が、０．４〜１であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記反射板は、多層構造体であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。

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