(57)【要約】【課題】蛍光色素が放射する光を高効率で端面へ集光させることのでき、蛍光色素によって低波長領域を長波長領域へ変換することで、太陽光の低波長領域を光電変換に利用することのできる太陽光集光装置を提供すること。【解決手段】蛍光色素を含む透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の４端面のうちの少なくとも１端面以上に太陽電池設置部を形成した構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、
前記蛍光集光板の４端面のうちの少なくとも１端面以上に太陽電池設置部を形成したことを特徴とする太陽光集光装置。
【請求項２】
前記蛍光集光板の４端面のうち、太陽電池設置部以外の端面に反射膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の太陽光集光装置。
【請求項３】
前記蛍光色素が、波長３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に吸収スペクトルを有し、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲に発光スペクトルを有することを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光集光装置。
【請求項４】
前記蛍光色素が、少なくとも２種類の異なる蛍光色素を含有してなり、これらのうち１つの蛍光色素の吸収領域が他の蛍光色素の発光領域と部分的に重複することを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の太陽光集光装置。
【請求項５】
前記波長選択性反射膜が、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の光を反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の太陽光集光装置。
【請求項６】
前記波長選択性反射膜が、樹脂多層積層膜からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の太陽光集光装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか記載の太陽光集光装置の太陽電池設置部に、多結晶シリコーン型太陽電池又は無機化合物型太陽電池を接続してなる太陽光集光型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光集光装置の改良に関し、より詳細には、波長選択性反射膜を備える蛍光型太陽光集光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高価な太陽電池を減らすことを目的として太陽光集光装置が研究されており、太陽光追尾による集光システム等が既に実用化されている。
しかし、集光による発熱を放熱するヒートシンクや太陽光追尾装置の体積や重量が問題となっている。
【０００３】
一方で、ヒートシンクや太陽光追尾装置を必要としない太陽光集光装置として、蛍光型太陽光集光装置が以前から検討されている(例えば、非特許文献１参照)。また例えば、特許文献１では、薄膜状光電変換領域を、蛍光体を含む絶縁基板の光入射面に対し小面積の側面に直接被着せしめた光起電力装置が提案されている。また、特許文献２では、特定波長域の光を集光する染料を含有する樹脂を薄板状に形成してなり、前記特定波長域を異ならせて少なくとも２個以上の複数層に重ねられた樹脂板部材と、前記重ねた各樹脂板部材の水平方向の４端面のうち少なくとも１端面以上に取り付けられ、各樹脂板部材で定められた特定波長の光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池と、前記重ねた各樹脂板部材の他の端面に取り付けられた反射層と、前記重ねた樹脂板部材の底面に装着され、前記重ねた樹脂板部材の上方から入射し前記各樹脂板部材の特定波長域を分離したのち透過した光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池とを備えた太陽電池パネルが提案されている。
【０００４】
これらの蛍光型太陽光集光装置は、主に透明性樹脂中に蛍光色素を混合したものであり、安価で製造が容易であることを特徴とする。また、蛍光色素は装置表面から入射した特定波長の太陽光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の光を全方向へ放射する。このため透明性樹脂からなる導光板の臨界角以上に放射された光は、全反射を繰り返して導光板端面に到達し、端面に設置された太陽電池での発電に寄与することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−３２４７６号公報
【特許文献２】特許第２９１７７８０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J.S.Batchelder et al APPLIED OPTICS Vol.18 No.18 (1979))
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の蛍光型太陽光集光装置では、蛍光色素から放射される光のうち導光板の臨界角以内に放射された光は導光板外へ放出されてしまい、これが蛍光型太陽光集光装置の欠点となる。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した従来の蛍光型太陽光集光装置の欠点を解決するものであり、蛍光色素が放射する光を高効率で端面へ集光させることができ、蛍光色素によって低波長領域を長波長領域へ変換することで、太陽光の低波長領域を光電変換に利用することのできる太陽光集光装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、これらの課題を解決するために鋭意検討した結果、蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の４端面のうちの少なくとも１端面以上に太陽電池設置部を形成した太陽光集光装置によって、吸収した光を全反射すると共に、蛍光色素によって変換された波長の光が、蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜により反射されることで極めて効率的に集光できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、第１の本発明は、蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の４端面のうちの少なくとも１端面以上に太陽電池設置部を形成したことを特徴とする太陽光集光装置である。
【００１１】
第１の本発明において、前記蛍光集光板の４端面のうち、太陽電池設置部以外の端面には反射膜を形成することが好ましい。
【００１２】
また第１の本発明において、蛍光色素は、波長３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に吸収スペクトルを有し、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲に発光スペクトルを有することが好ましい。
【００１３】
また、第１の本発明において、前記蛍光色素は、少なくとも２種類の異なる蛍光色素を含有してなり、１つの蛍光色素の吸収領域が他の蛍光色素の発光領域と部分的に重複することが好ましい。
【００１４】
第１の本発明において、前記波長選択性反射膜は、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの光を反射することが好ましい。
【００１５】
第１の本発明において、前記波長選択性反射膜は、樹脂多層積層膜からなることが好ましい。
【００１６】
第２の本発明は、第１の本発明の太陽光集光装置の太陽電池設置部に、多結晶シリコーン型太陽電池又は無機化合物型太陽電池を接続してなる太陽光集光型太陽電池である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の太陽集光装置は、蛍光集光板に入射した光を蛍光色素によって吸収・放射させたのち導光板内で全反射させ、導光板端面へ集光することができ、この結果、高い集光率を達成することができる。また、蛍光集光板の表面に波長選択性反射膜を設けたので、導光板外へ放出された光を再び導光板内へ導くことができる。この結果、従来に比べて集光効率を向上させることができる。
【００１８】
また、蛍光集光板内に少なくとも２種類以上の蛍光色素を分散させることによって、幅広い領域の太陽光を吸収し、蛍光集光板の端面へ輸送することができる。特に多結晶シリコーン型太陽電池やＣｄＳ／ＣｄＴｅ型太陽電池が有効に利用できない５００ｎｍ以下の太陽光も、前記太陽電池の高感度領域の波長へと変換し端面へ輸送することができ、この結果、蛍光集光板端面に設置した太陽電池において、効率の良い発電が望める。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係る太陽光集光装置の一実施実態の斜視図である。
【図２】図２は、図１に示された太陽光集光装置の動作原理を説明する図である。
【図３】図３は、導光板外へ放出される光、及び波長選択性反射膜の作用を説明する図である。
【図４】図４は、導光板内の２つの蛍光色素７、８の分散状態の模式図である。
【図５】図５はＡＭ１．５基準の太陽光スペクトルと多結晶シリコーン型太陽電池及びＣｄＳ／ＣｄＴｅ型太陽電池の吸収感度領域を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜太陽光集光装置＞
第１の本発明である太陽光集光装置としては、蛍光色素を含有する透明媒質からなる蛍光集光板、並びに該蛍光集光板の表面側に設けられた波長選択性反射膜及び裏面側に設けられた反射膜を備え、前記蛍光集光板の４端面のうちの少なくとも１端面以上に太陽電池設置部を形成したものであれば、特に制限されるものではなく、このような構成を備えることによって、蛍光集光板に入射した光を蛍光色素によって吸収・放射させたのち導光板内で全反射させ、導光板端面へ集光することができ、導光板外へ放出された光を再び導光板内へ導くことができるので、高い集光率を達成することができる。また、前記蛍光集光板の４端面のうち、太陽電池設置部以外の端面には反射膜を形成することが好ましく、反射膜の形成によって、より高い集光率を達成することができる。
【００２１】
＜太陽光集光装置の構成部材＞
（蛍光集光板）
太陽光集光装置を構成する構成部材である蛍光集光板としては、蛍光色素を含有する透明媒質からなるものであれば、特に制限されるものでない。
【００２２】
（蛍光色素）
前記蛍光色素としては、必ずしも制限されるものではなく、具体的には以下に示したような蛍光色素を一種以上用いればよい。
【００２３】
上記蛍光色素を具体的に挙げれば、３−（２’−ベンゾチアゾリル）−７−ジエチルアミノクマリン（クマリン６）、３−（２’−ベンゾイミダゾリル）−７−Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノクマリン（クマリン７）、３−（２’−Ｎ−メチルベンゾイミダゾリル）−７−Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノクマリン（クマリン３０）、２，３，５，６−１Ｈ，４Ｈ−テトラヒドロ−８−トリフルオロメチルキノリジン（９，９ａ，１−ｇｈ）クマリン（クマリン１５３）などのクマリン系色素や、クマリン色素系染料であるベーシックイエロー５１や、ソルベントイエロー１１、ソルベントイエロー１１６などのナフタルイミド系色素や、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、ローダミン３Ｂ、ローダミン１０１、ローダミン１１０、スルホローダミン、ベーシックバイオレット１１、ベーシックレッド２などのローダミン系色素、１−エチル−２−〔４−（ｐ−ジメチルアミノフェニル）−１，３−ブタジエニル〕ピリジニウム−パークロレート（ピリジン１）などのピリジン系色素、さらには、シアニン系色素、あるいはオキサジン系色素などを例示することができる。
また、ＢＡＳＦ社製の各種集光性蛍光染料（Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ Ｒｅｄ３０５、Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ Ｏｒａｎｇｅ２４０、Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ Ｙｅｌｌｏｗ０８３）を使用することもできる。
さらに、特開昭５７−１２５２６０号公報、特開昭５８−４０３５９号公報及び特開昭６０−２０３６５０号公報などに記載のペルリン系蛍光色素を使用することもできる。さらに、各種染料（直接染料、酸性染料、塩基性染料、分散染料など）も蛍光性があれば使用することができ、Ｃｄ／Ｓｅ、ＰｂＳといった微小無機粒子や、各種有機金属錯体及び希土類錯体からなる蛍光体を使用することもできる。
【００２４】
上述した蛍光色素の中でも、波長３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に吸収スペクトルを有し、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲に発光スペクトルを有する蛍光色素を一種以上用いることが好ましい。なお、前記において、吸収スペクトルと発光スペクトルの波長帯が重なり合う部分を有していても良い。また、これらの蛍光スペクトルは、通常市販されている分光蛍光光度計（例えば、株式会社日立製作所社製；Ｆ−３０００）を用いて測定することができる。
太陽電池はその材質や製法から、「シリコーン系」「化合物系」「有機系その他」に大別され、各々について「結晶系」、「薄膜系」「単結晶」、「多結晶」などに分類される。太陽電池はその材料によって半導体のバンドギャップが異なり、したがって吸収できる太陽光の波長領域も異なっている。
一方、太陽光は３００〜２０００ｎｍ以上にわたる幅広い放射スペクトルを有しているのに対し、多結晶シリコーン型太陽電池は６００ｎｍ〜９００ｎｍの波長領域に、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ型などの多結晶化合物型太陽電池は５００ｎｍ〜８５０ｎｍの波長領域に吸収ピークを持つ。
このために波長５００ｎｍ以下の太陽光は、上記太陽電池での光電変換に有効に寄与しないが、上記蛍光色素を用いれば、低波長領域の光を吸収して長波長領域の光を発光するので、低波長領域の光を光電変換に利用することが可能となる。
【００２５】
また、２つ以上の蛍光色素を含有してなり、１つの蛍光色素の吸収領域が他の蛍光色素の発光領域と部分的に重複するような組み合わせとすることがより好ましい。導光板内に含まれる２つの蛍光色素の組み合わせとしては、３００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光を吸収し、５５０ｎｍ付近に発光ピークを持つルブレンと、６００ｎｍ付近に吸収ピーク、７５０ｎｍ付近に発光ピークをもつＬＤＳ７６５（Ｅｘｉｔｏｎ社製）の組み合わせなどを挙げることができる。
このように複数の蛍光色素の組合せとすることによって、太陽光の幅広い波長領域（３００ｎｍ〜７００ｎｍ）を吸収して、図５に示すような多結晶シリコーン型太陽電池及び無機化合物型太陽電池の高感度領域内の波長光を太陽光設置部４へ輸送することができる。
【００２６】
（透明媒質）
上記透明媒質としては、ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレートなどの透明樹脂の他にもガラスなど透明であれば、何ら制限なく用いることができる。
【００２７】
（波長選択性反射膜）
上記波長選択性反射膜としては、前記蛍光色素の吸収光は透過し、かつ該蛍光色素が変換後に発光する光を反射するものを好適に例示することができ、具体的には波長選択性を有する樹脂多層積層膜を挙げることができる。このような波長選択性を有する樹脂多層積層膜は、米国特許第３７７３８８２号に例示されるような公知の樹脂多層積層膜を用いればよい。
屈折率の異なる２種類以上の樹脂を積層して構成した回折格子は特定の波長を反射することが知られている。
一般に、回折格子の格子間ピッチｄと回折波長λは、入射角をθ、屈折率をｎとすると、２ｎｄｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝１，２，３・・・）で与えられる。
したがって、屈折率の高い層と低い層を交互に積層して回折格子を構成し、その際、格子間ピッチｄの異なる層を数種類作製することにより、種々の波長の光を回折できるようにすることができ、１つの回折格子の回折波長範囲を広げることができる。
例えば、高屈折率ポリマー（ｎd ＝１．５９）と低屈折率ポリマー（ｎd ＝１．４１）の平均屈折率が１．５の場合、０．１４μｍの高屈折率ポリマー層１に同じ厚みの低屈折率ポリマー層２を積層した組を多数積層することにより、８５０ｎｍ付近の波長の光を回折する多層シートを得ることができる。ここで、ポリマー層の膜厚、積層数、屈折率差を変えることにより、回折波長範囲、回折効率を任意に設定することができる。
【００２８】
（反射膜）
上記反射膜としては、光を反射する性質を有するものであれば、アルミニウム、銀等の金属被膜など材質は何ら制限なく用いることができる。この中でも、蛍光集光板の裏面側に位置する反射膜及び蛍光集光板の４端面に位置する反射膜は、鏡面反射特性を備えるものが好ましい。このような構成とすることによって、効果的に導光板端面へ集光することができる。
【００２９】
（太陽電池設置部）
上記蛍光集光板の４端面のうちの少なくとも１端面以上に太陽電池設置部が形成され、この太陽電池設置部には各種太陽電池が接続される。太陽電池としては、単結晶シリコーン、多結晶シリコーン、アモルファスシリコン等の乾式の太陽電池の他、ＣｄＳ／ＣｄＴｅのような多結晶化合物型太陽電池や色素増感型湿式太陽電池が挙げられる。これらの中でも、多結晶シリコーン型太陽電池又はＣｄＳ／ＣｄＴｅ型などの多結晶化合物型太陽電池を用いることが好ましい。図５は、ＡＭ１．５基準の太陽光スペクトルと多結晶シリコーン型太陽電池及びＣｄＳ／ＣｄＴｅ型太陽電池の吸収感度領域を示す図である。本発明の構成による太陽光集光装置を用いれば、このような太陽電池を用いても５００ｎｍ以下の太陽光を高感度領域の波長へと変換し端面へ輸送することができ、この結果、蛍光集光板端面に設置した太陽電池において、効率の良い発電が望める。
【００３０】
（太陽光集光型太陽電池）
本発明の太陽光集光型太陽電池としては、第１の本発明である太陽光集光装置の太陽電池設置部に、多結晶シリコーン型太陽電池又は無機化合物型太陽電池を接続してなるものであれば、特に制限されるものではない。
【００３１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて具体的に説明するが、本発明の範囲はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
図１は、本発明に係る太陽光集光装置の一実施形態の斜視図である。図１において、本発明に係る太陽光集光装置を構成する蛍光集光板１は、ガラス又は樹脂のような透明媒質であり、内部には蛍光色素を含む。この蛍光集光板１の表面には波長選択性反射膜２が、裏面には反射膜３が設けられている。また蛍光集光板１の少なくとも１端面以上には太陽電池設置部４が設けられており、その他の端面には反射膜５が設けられている。反射膜３及び反射膜５は蛍光集光板１に対して光学的に結合しているが、波長選択性反射膜は光学的に結合していない（すなわち、反射膜と蛍光集光板の間に空気層が存在する。）。空気層が存在すると、臨界角以上の光は空気層と蛍光集光板の界面で全反射し、蛍光集光板と反射膜が光学的に結合している場合に比べて、臨界角以上の光がロスするのを抑えることができる。
【００３３】
図２は、図１に示した太陽光集光装置の動作原理を説明する図である。図２において、太陽光６が蛍光集光板１に入射した場合、蛍光色素７はある波長領域の光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の光を全方向へ放射する。透明媒質からなる導光板の臨界角θc以上に放射された光は、反射膜３及び５において全反射を繰り返し、導光板端面の太陽電池設置部４に到達する。
【００３４】
図３は、導光板外へ放出される光、及び波長選択性反射膜の作用を説明する図である。図３において蛍光色素７から放出される光の放射角がθ1 (θ1＞θc)の場合は、全反射によって光が導光板内に閉じ込められるが、放出される光の放射角がθ2(θ2＜θc)の場合は、導光板外へ放出されてしまう。（例えば導光板の材質がアクリル樹脂である場合、蛍光色素から放出される光のうち、約２６％は導光板外へ放出される。）
しかしながら、放出された光は、蛍光色素の放射する光を選択的に反射する、例えば米国特許第３７７３８８２号に記載されるような波長選択性反射膜２によって再び導光板内へ入射する。これにより蛍光色素から放出される光を全て太陽電池設置部４へ輸送することができる。
【００３５】
以上のように、本発明の太陽光集光装置によれば、蛍光集光板に入射した光を蛍光色素によって吸収・放射させたのち導光板内で全反射させ、導光板端面へ集光することができ、導光板外へ放出された光を再び導光板内へ導くことができるので、高い集光率を達成することができると推察される。
【符号の説明】
【００３６】
１：蛍光集光板
２：波長選択性反射膜
３：裏面反射膜
４：太陽電池設置部
５：端面反射膜
６：太陽光
７及び８：蛍光色素
９：太陽光集光装置
【図１】
2010263115.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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