(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、前記太陽電池に集光する集光光学系と、
を備え、
前記集光光学系は、ガラス材からなる光学素子を有する、
集光型太陽光発電装置の製造方法であって、
前記ガラス材の表面を火炎研磨する工程を有する、集光型太陽光発電装置の製造方法。
【請求項２】
前記ガラス材は、互いに対向する一対の端面と、側面とを有し、前記側面の少なくとも一部を火炎研磨する、請求項１に記載の集光型太陽光発電装置の製造方法。
【請求項３】
前記光学素子の表面の火炎研磨された部分の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で２００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の集光型太陽光発電装置の製造方法。
【請求項４】
前記ガラス材は、アルカリ成分を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光型太陽光発電装置の製造方法。
【請求項５】
前記ガラス材は、ケイ酸塩系ガラスからなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光型太陽光発電装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電装置の光学素子、その製造方法及び集光型太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、集光型太陽光発電装置において、集光レンズと太陽電池セルとの間にガラス製の光学系が設けられている。ガラス製の光学系は、集光レンズによって集光された光を、内表面で全反射して太陽電池セルに伝える。よって、光学系の光学特性は、その表面状態によって影響を受ける。
【０００３】
集光型太陽光発電装置は、主に屋外で使用される。よって、光学系には、耐候性が求められる。例えば、特許文献１には、光学系の側面にフッ素樹脂製の薄膜を設けることが開示されている。特許文献１では、これにより、光学系の表面が水滴などにより白濁して、そこから光の一部が漏れ出ることを防ぐことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７８５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
集光型太陽光発電装置において、耐候性に優れたさらなる有力な光学素子が求められている。本発明は、耐候性に優れた集光型太陽光発電装置の光学素子、その製造方法及び集光型太陽光発電装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子は、火炎研磨された表面を有するガラス材からなる。
【０００７】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子において、ガラス材は、互いに対向する一対の端面と、側面とを有し、側面の少なくとも一部が火炎研磨されてなることが好ましい。
【０００８】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子において、光学素子の表面の火炎研磨された部分の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子において、ガラス材は、アルカリ成分を含んでいてもよい。
【００１０】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子において、ガラス材は、ケイ酸塩系ガラスからなってもよい。
【００１１】
本発明の集光型太陽光発電装置は、太陽電池と、太陽電池に集光する集光光学系とを備える。集光光学系は、火炎研磨された表面を有するガラス材からなる光学素子を有する。
【００１２】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子の製造方法では、ガラス材の表面の少なくとも一部を火炎研磨することにより光学素子を得る。
【００１３】
本発明の集光型太陽光発電装置の光学素子の製造方法において、バーナー加熱、高周波誘導加熱または抵抗加熱により火炎研磨を行ってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐候性に優れた集光型太陽光発電装置の光学素子、その製造方法及び集光型太陽光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電装置の模式的概念図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１７】
また、実施形態などにおいて参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態などにおいて参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００１８】
（集光型太陽光発電装置）
図１は、本実施形態に係る光学素子を備えた集光型太陽光発電装置の模式的概念図である。
【００１９】
集光型太陽光発電装置１は、太陽電池５と、太陽電池５に太陽光を集光する集光光学系２とを備える。集光光学系２は、集光部材３と光学素子４とを有する。集光部材３は、太陽光等の光を集光する。集光部材３は、例えば凸レンズや正の光学的パワーを有するフレネルレンズ等により構成することができる。
【００２０】
光学素子４は、集光部材３と太陽電池５との間に配されている。集光部材３により集光された光は、光学素子４の端面４１（図２を参照）から光学素子４内に入射する。光学素子４は、集光部材３により集光された光を均質化し、太陽電池５の受光面５０に導く。具体的には、光学素子４に入射した光は、光学素子４の側面４３ａ〜４３ｄにおいて反射されることにより均質化されながら光学素子４内を伝搬する。そして、光学素子４内を伝搬した光は、光学素子４の端面４２から均質化された面状光として受光面５０に向けて出射される。
【００２１】
光学素子４の端面４２には、受光面５０が端面４２に対向するように太陽電池５が配されている。光学素子４の端面４２から出射した光は太陽電池５に入射する。そして、太陽電池５において、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００２２】
なお、太陽電池５の種類は特に限定されない。太陽電池５は、例えば、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、薄膜太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、色素増感型太陽電池、有機半導体太陽電池などにより構成することができる。
【００２３】
（光学素子）
図２は、本実施形態に係る光学素子の模式的斜視図である。次に、図２を参照しながら、光学素子４の具体的構成について説明する。
【００２４】
光学素子４は、ガラス材からなる。光学素子４を構成しているガラス材は、アルカリ成分を含むことが好ましい。アルカリ成分としては、リチウム、カリウム、セシウムなどが挙げられる。
【００２５】
ガラス材は、ケイ酸塩系ガラスであることが好ましい。具体的には、ガラス材は、例えば、ＳｉＯ２：４０〜８０質量％、Ａｌ２Ｏ３：０〜３０質量％、Ｂ２Ｏ３：０〜３０質量％、ＣａＯ：０〜２０質量％、ＭｇＯ：０〜２０質量％、ＺｎＯ：０〜２０質量％、ＢａＯ：０〜２０質量％、Ｎａ２Ｏ：０〜２０質量％、Ｋ２Ｏ：０〜２０質量％、Ｌｉ２Ｏ：０〜２０質量％、ＴｉＯ２：０〜１０質量％、ＺｒＯ２：０〜２０質量％、Ｓｂ２Ｏ３：０〜１質量％及びＳｒＯ：０〜２０質量％を含むものであることが好ましい。
【００２６】
なお、本発明において、ケイ酸塩系ガラスには、硼ケイ酸塩系ガラスが含まれるものとする。
【００２７】
ガラス材は、３０℃〜３００℃の温度範囲内における熱膨張係数が１２０×１０−７／℃以下であることが好ましく、１００×１０−７／℃以下であることがより好ましく、８０×１０−７／℃以下であることがさらに好ましい。ガラス材の熱膨張係数が大きすぎると、後に詳述する火炎研磨を行った際に、サーマルショックによりガラス材にクラックが生じやすくなるためである。
【００２８】
ガラス材の波長４００ｎｍにおける内部透過率が８０％／１０ｍｍ以上であることが好ましく、８５％／１０ｍｍ以上であることがより好ましく、８７．５％／１０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
【００２９】
ガラス材は、集光部材３側から太陽電池５側に向かって先細る形状を有する。ガラス材の表面４０は、光入出面を構成している２つの端面４１，４２と、光反射面を構成している側面４３ａ〜４３ｄとを有する。端面４１，４２は、互いに対向している。側面４３ａ〜４３ｄは、端面４１，４２を接続している。
【００３０】
光学素子４を構成しているガラス材の表面４０の少なくとも一部は、火炎研磨されている。詳細には、ガラス材の表面４０のうち、少なくとも側面４３ａ〜４３ｄのうちの少なくとも一部が火炎研磨されている。本実施形態では、具体的には、ガラス材の表面４０の全体が火炎研磨されている。このため、ガラス材の角部や稜線部も火炎研磨されており、Ｒ面取り状となっている。
【００３１】
表面４０の火炎研磨された部分の表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１で規定される算術表面粗さ（Ｒａ）で通常２００ｎｍ以下である。表面４０の火炎研磨された部分の表面粗さは、算術表面粗さ（Ｒａ）で１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
【００３２】
以下、光学素子４の製造方法の一例について説明する。
【００３３】
（光学素子の製造方法）
光学素子４は、ガラス材の表面４０の少なくとも一部を火炎研磨することにより得られる。
【００３４】
ガラス材の表面４０を火炎研磨する方法は、特に限定されない。例えば、バーナー加熱、高周波加熱、抵抗加熱などにより火炎研磨を行うことができる。
【００３５】
火炎研磨の温度は、ガラス材の組成や物性などを考慮して、適宜調整することができる。火炎研磨は、ガラス材のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度で行うことが好ましく、ガラス材の軟化温度（Ｔｓ）以上の温度で行うことがより好ましい。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態では、ガラス材の表面４０の少なくとも一部を火炎研磨して光学素子４を作製する。このため、耐候性に優れた光学素子４を得ることができる。この理由は定かではないが、火炎研磨により、光学素子４の表面４０に保護層が形成されるためであると考えられる。特に、光学素子４を構成しているガラス材がアルカリ成分を含む場合は、火炎研磨により、光学素子４の表面４０は内部よりもアルカリ成分が少なく、内部に対して大幅に優れた耐候性を有する保護層が形成されるため、火炎研磨による耐候性の向上効果がより顕著に得られるものと考えられる。
【００３７】
また、ガラス材の側面４３ａ〜４３ｄを火炎研磨することにより、側面４３ａ〜４３ｄの耐候性を向上することができる。よって、側面４３ａ〜４３ｄの光反射率の経時的劣化が生じ難い。従って、集光型太陽光発電装置１の発電効率の経時的劣化を抑制することができる。
【００３８】
また、ガラス材の側面４３ａ〜４３ｄを火炎研磨することにより、側面４３ａ〜４３ｄの表面粗さを小さくすることができる。よって、側面４３ａ〜４３ｄにおいて、光の正反射の割合が高くなり、光学素子４外部への光の漏洩を抑制し、光反射率を高めることができる。従って、太陽電池５への集光効率を向上させることができる。その結果、集光型太陽光発電装置１の発電効率をさらに向上させることができる。集光型太陽光発電装置１の発電効率をさらに向上する観点からは、表面４０の火炎研磨された部分の表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１で規定される算術表面粗さ（Ｒａ）で１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
【００３９】
また、火炎研磨によりガラス材の稜線部や角部がＲ面取り状となる。このため、ガラス材の稜線部や角部の欠け等を効果的に抑制することができる。
【００４０】
端面４１、４２には反射防止膜が形成されていてもよい。これにより、集光部材３により集光された太陽光が光学素子４に入射する際や、光学素子４を透過した太陽光が太陽電池５に入射する際に、光の反射ロスを低減することができる。反射防止膜としては、例えば誘電体多層膜が挙げられる。
【００４１】
また、側面４３ａ〜４３ｄにＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等の反射膜を設けてもよい。これにより、側面４３ａ〜４３ｄにおける光の反射率をさらに高めることができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、光学素子４を構成するガラス材が角錐台形状である場合について説明した。ただし、本発明は、この構成に限定されない。本発明において、光学素子は、太陽電池への集光が可能な形状を有するものであれば特に限定されない。端面は、平面状でなくてもよく、凸状や凹状であってもよい。本発明によれば、光学素子４が複雑な形状を有している場合であっても、表面粗さを小さくすることができ、光反射効率を高めることができる。
【００４３】
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００４４】
（実施例１）
ガラス原料として、ＳｉＯ２を７１重量部、Ａｌ２Ｏ３を２重量部、ＣａＯを９重量部、ＭｇＯを４重量部、Ｎａ２Ｏを１３重量部、Ｋ２Ｏを１重量部、Ｓｂ２Ｏ３を０．１重量部準備した。これらのガラス原料をガラス融液の深さが５０ｍｍになるよう白金ルツボに入れ、１０００℃〜１５００℃で３時間溶融して溶融ガラスを得た。溶融ガラスを、耐熱金型に流し入れ、プレス成形することにより、一方の端面の一方が１辺１０ｍｍ程度の正方形であり、他方の端面の１辺５ｍｍ程度の正方形であり、高さが２０ｍｍ程度である角錐台形状のガラス材を得た。
【００４５】
得られたガラス材の側面を、酸素バーナーを用いて火炎研磨した。互いに対向する２つの端面は、機械的に研磨した。火炎研磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を表１に示す。なお、算術表面粗さ（Ｒａ）は、以下のようにして測定した。また、ガラス材の耐候性を、以下のようにして評価した。結果を表１に示す。
【００４６】
［算術表面粗さ（Ｒａ）］
ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）は、小坂研究所製  ＥＴ４０００ＡＫによって測定した。
【００４７】
［耐候性］
ガラス材を８５℃、相対湿度８５％の恒温恒湿槽に２０００時間放置した後、ガラス材の側面の白濁の有無を顕微鏡で観察した。なお、表面に白濁や析出物の無いものを○、白濁や表面析出物があるものを×として評価した。
【００４８】
（実施例２）
実施例１と同じガラス原料を用い、実施例１と同様にしてガラス材を得た。さらに、得られたガラス材を、リヒートプレス成形した。次に、ガラス材の表面全体を、酸素バーナーを用いて火炎研磨した。実施例１と同様にして、火炎研磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、火炎研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表１に示す。
【００４９】
（実施例３）
実施例２と同様にしてガラス材を得た。次に、ガラス材の表面全体をヒーターによる抵抗加熱で火炎研磨した。火炎研磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、火炎研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表１に示す。
【００５０】
（比較例１）
実施例１と同様にしてガラス材を得た。次に、ガラス材の表面全体に対し機械的に研磨加工を施した。実施例１と同様にして、研磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表１に示す。
【００５１】
（比較例２）
実施例１と同様にしてガラス材を得た。次に、ガラス材の稜線部と角部に対し機械的に研磨加工を施し、側面部と互いに対向する２つの端面は研磨しなかった。実施例１と同様にして、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
0005838608.tif 000002
【００５３】
（実施例４）
ガラス原料として、ＳｉＯ２を５０重量部、Ａｌ２Ｏ３を１重量部、Ｂ２Ｏ３を１４重量部、ＣａＯを１重量部、ＺｎＯを１２重量部、Ｎａ２Ｏを６重量部、Ｋ２Ｏを９重量部、Ｌｉ２Ｏを２重量部、ＴｉＯ２を５重量部、Ｓｂ２Ｏ３を０．１重量部準備し、これらをガラス融液の深さが５０ｍｍになるよう白金ルツボに入れ、１０００℃〜１５００℃で３時間溶融した。次に、溶融ガラスを、プレス成形することにより、一方の端面が１辺１０ｍｍ程度の正方形であり、他方の端面が１辺５ｍｍ程度の正方形であり、高さが２０ｍｍ程度である角錐台形状のガラス材を得た。
【００５４】
得られたガラス材の表面全体を、酸素バーナーを用いて火炎研磨した。
【００５５】
実施例１と同様にして、火炎研磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、火炎研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表２に示す。
【００５６】
（実施例５）
実施例４と同様にしてガラス材を得た。次に、ガラス材の互いに対向する２つの端面は、機械的に研磨加工を施し、側面は酸素バーナーを用いて火炎研磨した。実施例１と同様にして、火炎研磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、火炎研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表２に示す。
【００５７】
（比較例３）
実施例４と同様にしてガラス材を得た。次に、ガラス材の表面全体を機械的に研磨した。実施例１と同様にして、機械研加工磨前後における、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表２に示す。
【００５８】
（比較例４）
実施例４と同様にしてガラス材を得た。次に、ガラス材の稜線部と角部に対し機械的に研磨加工を施し、側面部と互いに対向する２つの端面は研磨しなかった。実施例１と同様にして、ガラス材の側面部の算術表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、研磨後のガラス材の耐候性評価を行った。これらの結果を表２に示す。
【００５９】
【表２】
0005838608.tif 000003
【符号の説明】
【００６０】
１…集光型太陽光発電装置
２…集光光学系
３…集光部材
４…光学素子
４０…表面
４１、４２…端面
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ…側面
５…太陽電池
５０…受光面
【図１】
0005838608.tif 000004
【図２】
0005838608.tif 000005