(57)【要約】  集光用光学部材（５０）は、レシーバ基板（２０）に実装された太陽電池素子（１１）によって発電を行なう太陽電池（１０）に太陽光（Ｌｓａ）を集光する。集光用光学部材（５０）は、太陽光（Ｌｓ）が入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材（５１）と、太陽電池素子（１１）の側に配置され第２屈折率を有する第２光学部材（５２）とを備え、第１屈折率と第２屈折率とは異なる値としてある。また、集光型太陽光発電モジュール（４０）は、太陽電池（１０）および集光用光学部材（５０）を備える。
2009125722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池素子へ集光された太陽光によって発電を行なう太陽電池に適用され前記太陽電池素子へ太陽光を集光する集光用光学部材であって、
太陽光が入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材と、前記太陽電池素子の側に配置され第２屈折率を有する第２光学部材とを備え、
前記第１屈折率と前記第２屈折率とは異なる値としてあること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項２】
請求項１に記載の集光用光学部材であって、
前記第１光学部材は結像型レンズであり、前記第２光学部材は非結像型レンズであること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の集光用光学部材であって、
前記第１光学部材は、前記太陽電池素子に対向する内側面が凸状としてあり、前記第２光学部材は、前記第１光学部材の前記内側面に当接させてあること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の集光用光学部材であって、
前記第１光学部材は、前記太陽電池素子に対向する内側面が凹状としてあり、前記第２光学部材は、前記第１光学部材の前記内側面に当接させてあること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の集光用光学部材であって、
前記第２光学部材は、フレネルレンズであることを
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の集光用光学部材であって、
前記第２屈折率は、前記第１屈折率より大きいこと
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の集光用光学部材であって、
前記第１光学部材の太陽光が入射される外側面に当接する透光性基板を備えること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項８】
請求項７に記載の集光用光学部材であって、
前記透光性基板の外側面に形成された反射防止膜を備えること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の集光用光学部材であって、
前記第１光学部材の外側面に形成された反射防止膜を備えること
を特徴とする集光用光学部材。
【請求項１０】
集光用光学部材によって太陽光を太陽電池素子へ集光して発電を行なう集光型太陽光発電モジュールであって、
前記集光用光学部材は、請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の集光用光学部材であること
を特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光された太陽光によって発電を行なう太陽電池（太陽電池素子）に太陽光を集光する集光用光学部材、およびこのような集光用光学部材および太陽電池を備えた集光型太陽光発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
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光発電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。【０００３】
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。【０００４】
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、太陽光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。【０００５】
図８は、従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。【０００６】
従来例に係る集光型太陽光発電モジュール１４０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Ｌｓａ）を光電変換する太陽電池１１０とを備える。また、太陽電池１１０は、集光レンズ１４２によって集光された太陽光Ｌｓａを光電変換する太陽電池素子１１１と、太陽電池素子１１１が載置されたレシーバ基板１２０とを備える。集光レンズ１４２は、太陽電池素子１１１の裏面側に焦点位置ＦＰを有する構成とされている。【０００７】
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集光型太陽光発電モジュール１４０を適用していた。【０００８】
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１１０（太陽電池素子１１１）までの間隔（集光レンズのワーキング距離Ｗｄ）が大きいので、集光型太陽光発電モジュール１４０の体積および重量が大きくなり、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従って高い追尾駆動能力が必要となり、全体コストが高くなるという問題があった。【０００９】
つまり、モジュールの軽量化を実現してコストを低減するためには、ワーキング距離Ｗｄを短縮する必要があった。【００１０】
このような従来例に係る問題を解決するために、ドーム型レンズあるいは集光レンズと太陽電池素子との間に、２次光学系を設けることが一般的に行なわれている。【００１１】
具体的には、太陽電池素子の表面直上に２次光学系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。【００１２】
また、１次光学系のフレネルレンズの表面直下にもう一つ同様なフレネルレンズを用いた構造が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。【００１３】
さらに、１次光学系（集光レンズ）により集光され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光する構造が提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４参照。）。【００１４】
しかしながら、２次光学系に両凸レンズや、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。【００１５】
特許文献１、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次光学系を透過していることから、２次光学系による反射・透過損失が存在し、太陽電池素子の入射光量が実質上低下するという問題がある。【００１６】
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次光学系の焦点距離を長くし、併せて２次光学系と太陽電池素子を１次光学系から離して設置する必要があり、結果として集光型太陽光発電モジュールの光軸Ｌａｘ方向での厚さが厚くなり全体の重量を増加させるという問題がある。【００１７】
集光型太陽光発電モジュールの厚さが増えて重量が増加することは、集光型太陽光発電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の不都合をもたらすという問題がある。【００１８】
また、特許文献３、特許文献４に示されている方法では、２次光学系の入射・出射端面における反射損失、２次光学系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と同様な問題がある。【００１９】
さらに、上述した２次光学系を用いる方法では、２次光学系は、１次光学系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次光学系を構成する部材（材料）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。【００２０】
また、特に高集光倍率とした場合には、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極めて困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第５１６７７２４号明細書
【特許文献２】米国特許第６６５３５５１号明細書
【特許文献３】特開２００２−２８９８９７号公報
【特許文献４】特開２００３−２５８２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、集光された太陽光によって発電を行なう太陽電池に適用され太陽電池素子に太陽光を集光する集光用光学部材であって、太陽光が入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材と、太陽電池素子の側に配置され第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２光学部材とを備えることにより、第１光学部材を通過させた太陽光を第２光学部材で太陽電池素子に向けて集束させ、集光用光学部材と太陽電池素子との間の間隔（集光用光学部材のワーキング距離）を短縮し、太陽光に対する集光特性を改善して集光型太陽光発電モジュールを小型化、薄型化することが可能な集光用光学部材を提供することを目的とする。【００２３】
また、本発明は、集光用光学部材によって太陽光を太陽電池素子へ集光して発電を行なう集光型太陽光発電モジュールであって、本発明に係る集光用光学部材を適用することにより、太陽光に対する集光特性を向上させ、集光用光学部材と太陽電池素子との間の距離（集光用光学部材のワーキング距離）を短縮し、薄型化、軽量化が可能で発電効率を向上させた安価な集光型太陽光発電モジュールを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る集光用光学部材は、太陽電池素子へ集光された太陽光によって発電を行なう太陽電池に適用され前記太陽電池素子へ太陽光を集光する集光用光学部材であって、太陽光が入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材と、前記太陽電池素子の側に配置され第２屈折率を有する第２光学部材とを備え、前記第１屈折率と前記第２屈折率とは異なる値としてあることを特徴とする。【００２５】
この構成により、第１光学部材を通過させた太陽光を第２光学部材で太陽電池素子に向けて集束させるので、集光用光学部材と太陽電池素子との間の間隔（集光用光学部材のワーキング距離）を短縮することが可能となり、太陽光に対する集光特性を改善して集光型太陽光発電モジュールを小型化、薄型化することが可能な集光用光学部材とすることができる。【００２６】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第１光学部材は結像型レンズであり、前記第２光学部材は非結像型レンズであることを特徴とする。【００２７】
この構成により、太陽電池素子に集光された太陽光の色収差を緩和し、また、スポットエネルギー密度を抑制することが可能となるので、集光型太陽光発電モジュールの耐熱性、ひいては信頼性、耐候性を向上させることができる。【００２８】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第１光学部材は、前記太陽電池素子に対向する内側面が凸状としてあり、前記第２光学部材は、前記第１光学部材の前記内側面に当接させてあることを特徴とする。【００２９】
この構成により、第１光学部材と第２光学部材との組み合わせを最適化して容易かつ高精度に組み合わせることが可能となり、両者間の界面での損失を抑制して集光特性を確実に向上させることができる。【００３０】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第１光学部材は、前記太陽電池素子に対向する内側面が凹状としてあり、前記第２光学部材は、前記第１光学部材の前記内側面に当接させてあることを特徴とする。【００３１】
この構成により、第１光学部材と第２光学部材との組み合わせを最適化して容易かつ高精度に組み合わせることが可能となり、両者間の界面での損失を抑制して集光特性を確実に向上させることができる。【００３２】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第２光学部材は、フレネルレンズであることを特徴とする。【００３３】
この構成により、非結像型レンズを容易かつ高精度に形成することが可能となり、集光特性を容易かつ高精度に向上させることができる。【００３４】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第２屈折率は、前記第１屈折率より大きいことを特徴とする。【００３５】
この構成により、集光用光学部材のワーキング距離を短縮して、太陽光を容易かつ高精度に太陽電池素子へ集光することが可能となり、集光用光学部材を適用する集光型太陽光発電モジュールの小型化を図ることができる。【００３６】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第１光学部材の太陽光が入射される外側面に当接する透光性基板を備えることを特徴とする。【００３７】
この構成により、機械的強度および耐候性を確保し、第１光学部材を薄型化して第１光学部材の使用量を削減することが可能となるので、安価で信頼性の高い集光用光学部材とすることができる。【００３８】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記透光性基板の外側面に形成された反射防止膜を備えることを特徴とする。【００３９】
この構成により、太陽光が入射する透光性基板の外側面での太陽光の反射を防止し、集光用光学部材の劣化を防止することが可能となるので、耐候性、発電効率を向上させた信頼性の高い集光型太陽光発電モジュールを製造することが可能となる。【００４０】
また、本発明に係る集光用光学部材では、前記第１光学部材の外側面に形成された反射防止膜を備えることを特徴とする。【００４１】
この構成により、太陽光が入射する第１光学部材の外側面での太陽光の反射を防止し、集光用光学部材の劣化を防止することが可能となるので、耐候性、発電効率を向上させた信頼性の高い集光型太陽光発電モジュールを製造することが可能となる。【００４２】
本発明に係る集光型太陽光発電モジュールは、集光用光学部材によって太陽光を太陽電池素子へ集光して発電を行なう集光型太陽光発電モジュールであって、前記集光用光学部材は、本発明に係る集光用光学部材であることを特徴とする。【００４３】
この構成により、太陽光に対する集光特性を向上させて集光用光学部材と太陽電池素子との間の距離（集光用光学部材のワーキング距離）を短縮することが可能となるので、薄型化、軽量化が可能で発電効率を向上させた安価な集光型太陽光発電モジュールとすることができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明に係る集光用光学部材によれば、太陽電池素子へ集光された太陽光によって発電を行なう太陽電池に適用され太陽電池素子へ太陽光を集光する集光用光学部材であって、太陽光が入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材と、太陽電池素子の側に配置され第２屈折率を有する第２光学部材とを備え、第１屈折率と第２屈折率とは異なる値としてあることから、第１光学部材を通過させた太陽光を第２光学部材で太陽電池素子に向けて集束させ、集光用光学部材と太陽電池素子との間の間隔（集光用光学部材のワーキング距離）を短縮することが可能となるので、太陽光に対する集光特性を改善して集光型太陽光発電モジュールを小型化、薄型化することが可能な集光用光学部材とすることができるという効果を奏する。【００４５】
また、本発明に係る集光型太陽光発電モジュールによれば、集光用光学部材によって太陽光を太陽電池素子へ集光して発電を行なう集光型太陽光発電モジュールであって、集光用光学部材は、本発明に係る集光用光学部材とすることから、太陽光に対する集光特性を向上させて集光用光学部材と太陽電池素子との間の距離（集光用光学部材のワーキング距離）を短縮することが可能となるので、薄型化、軽量化が可能で発電効率を向上させた安価な集光型太陽光発電モジュールとすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した集光用光学部材を太陽光の入射側から見た平面状態を示す平面図である。
【図３】図３は、図１に示した集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの変形例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【図５】図５は、図４に示した集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの変形例を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態３に係る太陽電池の概略構成を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示した太陽電池の変形例を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【図８】図８は、従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４８】
＜実施の形態１＞
図１ないし図３に基づいて、本実施の形態に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールについて説明する。
【００４９】
図１は、本発明の実施の形態１に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示した集光用光学部材を太陽光の入射側から見た平面状態を示す平面図である。
【００５０】
本実施の形態に係る集光用光学部材５０は、太陽電池素子１１へ集光された太陽光Ｌｓａによって発電を行なう太陽電池１０に適用され太陽電池素子１１へ太陽光Ｌｓａを集光する構成とされている。なお、太陽電池素子１１は、レシーバ基板２０に実装してある。太陽電池１０の構成については、実施の形態３でさらに詳細を説明する。
【００５１】
また、本実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュール４０は、太陽電池１０と集光用光学部材５０とを備える。つまり、集光用光学部材５０は、追尾機構（不図示）の作用により、太陽に正対する構成とされている。したがって、太陽光Ｌｓは、集光用光学部材５０に対して垂直方向（光軸Ｌａｘと平行な方向）の太陽光Ｌｓｖとして入射する。また、集光用光学部材５０は、太陽光Ｌｓｖを屈折させた太陽光Ｌｓａを太陽電池１０（太陽電池素子１１）へ集光する構成とされている。
【００５２】
つまり、太陽光Ｌｓａは、第１光学部材５１の光軸Ｌａｘと平行に第１光学部材５１に対して垂直方向から入射する太陽光Ｌｓｖを太陽電池素子１１の方向へ集光して構成される。以下、太陽光Ｌｓｖ、太陽光Ｌｓａを区別する必要がない場合は、単に太陽光Ｌｓとすることがある。
【００５３】
また、集光用光学部材５０は、太陽光Ｌｓが入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材５１と、太陽電池素子１１の側に配置され第２屈折率を有する第２光学部材５２とを備え、第１屈折率と第２屈折率とは異なる値としてある。つまり、集光用光学部材５０は、第１光学部材５１と第２光学部材５２とを重ねた構成とされている。
【００５４】
したがって、第１光学部材５１を通過させた太陽光Ｌｓを第２光学部材５２で太陽電池素子１１に向けて集束させるので、集光用光学部材５０と太陽電池素子１１との間の間隔（集光用光学部材５０のワーキング距離Ｗｄ）を短縮することが可能となり、太陽光Ｌｓに対する集光特性を改善して集光型太陽光発電モジュール４０を小型化、薄型化することが可能な集光用光学部材５０とすることができる。
【００５５】
第１光学部材５１は、太陽電池素子１１に対向する内側面５１ｄが凸状としてあり、第２光学部材５２は、第１光学部材５１の内側面５１ｄに当接させてある。したがって、第１光学部材５１と第２光学部材５２との組み合わせを最適化して容易かつ高精度に組み合わせることが可能となり、両者間の界面での損失を抑制して集光特性を確実に向上させることができる。
【００５６】
つまり、第１光学部材５１は、太陽光Ｌｓの入射側で光軸Ｌａｘ上にある中心Ｃｃから、半径Ｒｒの球面（内側面５１ｄ）を構成している。また、第２光学部材５２は、例えばフレネルレンズとしてあり第１光学部材５１を介して入射した太陽光Ｌｓを太陽電池素子１１へ集光することが可能な構成とされている。
【００５７】
第２光学部材５２をフレネルレンズで構成することにより、非結像型レンズを容易かつ高精度に形成することが可能となり、集光特性を容易かつ高精度に向上させることができる。
【００５８】
上述したとおり、第１光学部材５１は結像型レンズであり、第２光学部材５２は非結像型レンズで構成してある。
【００５９】
したがって、太陽電池素子１１に集光された太陽光Ｌｓの色収差を緩和し、また、スポットエネルギー密度を抑制することが可能となるので、集光型太陽光発電モジュール４０の耐熱性、ひいては信頼性、耐候性を向上させることができる。
【００６０】
本実施の形態では、第２光学部材５２が有する屈折率（第２屈折率）は、第１光学部材５１が有する屈折率（第１屈折率）より大きくしてある。したがって、ワーキング距離Ｗｄを短縮して、太陽光Ｌｓを容易かつ高精度に太陽電池素子１１へ集光することが可能となり、集光用光学部材５０を適用する集光型太陽光発電モジュール４０の小型化を図ることができる。なお、屈折率は、後述するとおり、第１光学部材５１および第２光学部材５２を構成する素材を適宜選択することによって調整することが可能である。
【００６１】
集光用光学部材５０は、第１光学部材５１の外側面５１ｓに形成された反射防止膜５３を備える。したがって、太陽光Ｌｓが入射する第１光学部材５１の外側面５１ｓでの太陽光Ｌｓの反射を防止し、集光用光学部材５０の劣化を防止することが可能となるので、耐候性、発電効率を向上させた信頼性の高い集光型太陽光発電モジュール４０を製造することが可能となる。
【００６２】
上述したとおり、本実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュール４０は、集光用光学部材５０によって太陽光Ｌｓを太陽電池素子１１へ集光して発電を行なう。したがって、太陽光Ｌｓに対する集光特性を向上させて集光用光学部材５０と太陽電池素子１１との間の距離（集光用光学部材５０のワーキング距離Ｗｄ）を短縮することが可能となるので、薄型化、軽量化が可能で発電効率を向上させた安価な集光型太陽光発電モジュール４０とすることができる。
【００６３】
第１光学部材５１は、例えば、耐候性に優れたアクリル樹脂で形成し、第２光学部材５２は、例えば、ポリカーボネートで形成することが可能である。このとき、アクリル樹脂の屈折率（第１屈折率）は、１．４９〜１．５１であり、ポリカーボネートの屈折率（第２屈折率）は、１．５８〜１．６０である。つまり、上述したとおり、第２光学部材５２が有する屈折率（第２屈折率）は、第１光学部材５１が有する屈折率（第１屈折率）より大きくしてあることが望ましい。
【００６４】
第１光学部材５１の断面厚さは、例えば３ｍｍ〜５ｍｍ程度としてある。また、集光用光学部材５０の平面形状は、効率的に太陽光Ｌｓを集光するために正方形としてあり、辺の長さＳｓは、例えば１５０ｍｍ〜２５０ｍｍ程度としてある。
【００６５】
第１光学部材５１の内側面５１ｄ（球面）の半径Ｒｒは、辺の長さＳｓの約１〜５倍程度として設定することが可能である。本実施の形態では、半径Ｒｒは辺の長さＳｓの約１．５倍に設定してある。
【００６６】
第１光学部材５１としてアクリル樹脂、第２光学部材５２としてポリカーボネートを適用した場合の集光用光学部材５０は、次の処理工程によって製造することができる。まず、第１光学部材５１（アクリル樹脂）、第２光学部材５２（ポリカーボネート）をそれぞれに対応させた金型を用いて熱成型温度で成型する。
【００６７】
次に、アクリル樹脂およびポリカーボネートの軟化温度付近で密着結合させた後、徐冷工程で室温まで冷却することにより第１光学部材５１および第２光学部材５２を重ねた状態で集光用光学部材５０として形成することができる。また、必要に応じて反射防止膜５３を第１光学部材５１の外側面５１ｓに積層形成する。
【００６８】
反射防止膜５３は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、
フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）などで形成することが可能であり、製造方法としては、スパッタ、真空蒸着などを適用することが可能である。
【００６９】
第１光学部材５１、第２光学部材５２の材料の組み合わせとしては、上述した実施例の他に、次のような組み合わせも可能である。つまり、第１光学部材５１として屈折率の低いガラス（例えば第１屈折率が約１．４３〜１．４５程度のもの。）を採用した場合、第２光学部材５２としてはアクリル樹脂、ポリカーボネート、シリコーン樹脂などを採用することが可能である。
【００７０】
ガラスを第１光学部材５１とし、第２光学部材５２としてアクリル樹脂、ポリカーボネート、シリコーン樹脂などを適用した場合は、１００℃以下の温度で集光用光学部材５０を形成することが可能である。
【００７１】
つまり、第２光学部材５２に対応する金型に樹脂を注型した状態でガラスを樹脂に当接して熱固化（あるいは光固化）することによって、第２光学部材５２に第１光学部材５１を密着結合させて集光用光学部材５０を形成することが可能である。
【００７２】
集光用光学部材５０を構成する第１光学部材５１、第２光学部材５２は、上述した材料に限定されるものではない。また、集光用光学部材５０としての紫外線劣化を防止する目的で、適当な紫外線吸収剤を添加することも可能である。
【００７３】
図３は、図１に示した集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの変形例を示す断面図である。
【００７４】
本変形例に係る集光用光学部材５０および集光型太陽光発電モジュール４０の基本的な構成は、図１に示した集光用光学部材５０、集光型太陽光発電モジュール４０と同様であるので、同一の符号を適用し、主に異なる事項について説明する。
【００７５】
本変形例に係る集光用光学部材５０は、平行な２平面を有する透光性基板５４を備える。つまり、第１光学部材５１の太陽光Ｌｓが入射される外側面５１ｓに当接する透光性基板５４を備える。したがって、機械的強度および耐候性を確保し、第１光学部材５１を薄型化して第１光学部材５１の使用量を削減することが可能となるので、安価で信頼性の高い集光用光学部材５０とすることができる。
【００７６】
なお、透光性基板５４としては、ガラス、耐候性グレードを有する安価なアクリル樹脂、ポリカーボネートなどを適用することが可能であるが、本実施の形態では、ガラス板を採用した。本変形例では、第１光学部材５１の外側面５１ｓに透光性基板５４を配置したことから外側面５１ｓに反射防止膜５３を形成することはできない。
【００７７】
したがって、本変形例では、透光性基板５４の外側面５４ｓに反射防止膜５３を形成してある。したがって、太陽光Ｌｓが入射する透光性基板５４の外側面５４ｓでの太陽光Ｌｓの反射を防止し、集光用光学部材５０の劣化を防止することが可能となるので、耐候性、発電効率を向上させた信頼性の高い集光型太陽光発電モジュール４０を製造することが可能となる。
【００７８】
＜実施の形態２＞
図４および図５に基づいて、本実施の形態に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールについて説明する。
【００７９】
図４は、本発明の実施の形態２に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【００８０】
本実施の形態に係る集光用光学部材５０および集光型太陽光発電モジュール４０の基本的な構成は、実施の形態１に示した集光用光学部材５０および集光型太陽光発電モジュール４０と同様であるので、同一の符号を適用し、主に異なる事項について説明する。
【００８１】
本実施の形態に係る集光用光学部材５０は、図１に示した凸状の内側面５１ｄを有する第１光学部材５１を凹状の内側面５１ｄを有する第１光学部材５１に置き換えてある。
【００８２】
つまり、本実施の形態に係る集光用光学部材５０では、第１光学部材５１は、太陽電池素子１１に対向する内側面５１ｄが凹状としてあり、第２光学部材５２は、第１光学部材５１の内側面５１ｄに当接させてある。したがって、第１光学部材５１と第２光学部材５２との組み合わせを最適化して容易かつ高精度に組み合わせることが可能となり、両者間の界面での損失を抑制して集光特性を確実に向上させることができる。
【００８３】
つまり、第１光学部材５１は、太陽光Ｌｓの入射側で光軸Ｌａｘ上にある中心Ｃｃから半径Ｒｒの球面（内側面５１ｄ）を構成している。
【００８４】
その他の構成は、図１に示した集光用光学部材５０、集光型太陽光発電モジュール４０と同様であるので説明は省略する。
【００８５】
図５は、図４に示した集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの変形例を示す断面図である。
【００８６】
本変形例に係る集光用光学部材５０および集光型太陽光発電モジュール４０の基本的な構成は、図４に示した集光用光学部材５０、集光型太陽光発電モジュール４０と同様であるので、同一の符号を適用し、主に異なる事項について説明する。
【００８７】
本変形例に係る集光用光学部材５０は、平行な２平面を有する透光性基板５４を備える。つまり、第１光学部材５１の太陽光Ｌｓが入射される外側面５１ｓに当接する透光性基板５４を備える。したがって、機械的強度および耐候性を確保し、第１光学部材５１を薄型化して第１光学部材５１の使用量を削減することが可能となるので、安価で信頼性の高い集光用光学部材５０とすることができる。
【００８８】
上述したとおり、実施の形態１（図３）で説明した変形例を図４の集光用光学部材５０に適用したものであり、基本的な構成は図３について説明したとおりであるので詳細な説明は省略する。
【００８９】
＜実施の形態３＞
図６Ａおよび図６Ｂに基づいて実施の形態１、実施の形態２に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールに適用される太陽電池を本実施の形態として説明する。
【００９０】
図６Ａは、本発明の実施の形態３に係る太陽電池の概略構成を示す断面図である。
【００９１】
本実施の形態に係る太陽電池１０は、レシーバ基板２０に太陽電池素子１１を実装してある。また、太陽電池１０は、太陽電池素子１１の外周に配置された封止枠３１、封止枠３１に載置され太陽電池素子１１を外部環境から保護するように太陽電池素子１１に対向して配置された透光性被覆板３２、太陽電池素子１１と透光性被覆板３２との間の空間を樹脂封止する樹脂封止部３３を備える。
【００９２】
また、太陽電池１０は、透光性被覆板３２の樹脂封止部３３に対向する面にレシーバ基板２０への太陽光Ｌｓの照射を防止する反射部３５を備える。また、反射部３５には、太陽電池素子１１へ照射する太陽光Ｌｓを規定する光透過窓３５ｗが配置してある。したがって、集光用光学部材５０の位置が正常な状態では、太陽光Ｌｓは、太陽電池素子１１へ確実に集光される。
【００９３】
集光型太陽光発電モジュール４０の追尾誤差、集光用光学部材５０と太陽電池１０との間での位置合わせ誤差などを原因として、集光された太陽光Ｌｓａが位置ズレを生じて光透過窓３５ｗの外周の反射部３５に照射された場合、太陽光Ｌｓは、反射部３５によって外部へ反射される。したがって、位置ズレした太陽光Ｌｓがレシーバ基板２０に照射されることはない。
【００９４】
つまり、反射部３５によって、不要な太陽光Ｌｓがレシーバ基板２０に照射されることを防止し、レシーバ基板２０の表面の温度上昇を防止することから、レシーバ基板２０の表面に配置された配線部材の損傷を防止することが可能となり、信頼性の高い太陽電池１０、集光型太陽光発電モジュール４０とすることができる。
【００９５】
反射部３５を配置することによって、例えば６００ＳＵＮ（１ＳＵＮ＝１００ｍＷ／ｃｍ２）以上の高集光倍率の場合でも、レシーバ基板２０の配線（有機部材）などの焦げ、透光性被覆板３２の割れなどを防ぐことが可能となり、耐熱性を向上させた信頼性、耐候性の高い高効率で安価な太陽電池１０とすることができる。反射部３５は、例えば金属膜とすることにより、太陽光Ｌｓを効果的に反射させることが可能である。
【００９６】
太陽電池素子１１は、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅなどの無機材料で構成してある。また、太陽電池素子１１の構造は、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セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態とすることが可能である。
【００９７】
太陽電池素子１１の外形サイズは、使用する太陽電池材料の削減、加工／工程の容易性／簡略化、コストなどの観点から、例えば数ｍｍ程度〜１０ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００９８】
レシーバ基板２０は、例えばアルミニウム板、銅板などの金属製のベース基台に適宜の絶縁層を介して所望の配線（太陽電池素子１１の電極（不図示）に接続され、外部への取り出しを行なう接続パターン（不図示）。また、太陽電池素子１１相互間を直列、あるいは並列に接続するための接続パターン（不図示）。）が形成してある。
【００９９】
つまり、太陽電池素子１１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って太陽電池１０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。
【０１００】
透光性被覆板３２は、例えばガラス板（耐熱ガラス）で構成してあり、耐熱性および耐湿性を確保して耐候性を向上させている。また、透光性被覆板３２の厚さは、透光性被覆板３２の表面での太陽光Ｌｓの照射強度を抑制し、例えば３２０ｋＷ／ｍ2程度以下として耐熱性を確保できる構成とされている。また、太陽電池１０の感度波長領域での光反射率を低減するために、透光性被覆板３２の表面に適当な反射防止膜などを設けることも可能である。
【０１０１】
樹脂封止部３３は、太陽電池素子１１と透光性被覆板３２との間に充填された絶縁樹脂で構成してあり、例えば透明なシリコーン樹脂を適用して透光性被覆板３２を透過した太陽光Ｌｓを太陽電池素子１１へ照射させるように形成してある。
【０１０２】
なお、集光型太陽光発電モジュール４０に適用する太陽電池１０を構成する太陽電池素子１１としては、高効率性、実用性が特に求められることから、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅで構成した３接合型太陽電池素子、ＡｌＧａＡｓ／Ｓｉで構成した太陽電池素子、モノリシック多接合型太陽電池素子を使用することが望ましい。
【０１０３】
太陽光Ｌｓを光電変換する太陽電池素子１１の表面は、集光用光学部材５０での太陽光Ｌｓの入射面、透光性被覆板３２での太陽光Ｌｓの入射面、出射面と平行に配置してある。
【０１０４】
図６Ｂは、図６Ａに示した太陽電池の変形例を示す断面図である。
【０１０５】
本変形例に係る太陽電池１０の基本的な構成は、図６Ａに示した太陽電池１０と同様であるので、同一の符号を適用し、主に異なる事項について説明する。
【０１０６】
本変形例に係る太陽電池１０は、図６Ａに示した太陽電池１０と同様、レシーバ基板２０に太陽電池素子１１を実装してある。また、太陽電池１０は、太陽電池素子１１の外周に配置された封止枠３１、封止枠３１に載置され太陽電池素子１１を外部環境から保護するように太陽電池素子１１に対向して配置された透光性被覆板３２、太陽電池素子１１と透光性被覆板３２との間の空間を樹脂封止する樹脂封止部３３を備える。
【０１０７】
本変形例に係る太陽電池１０は、図６Ａに示した太陽電池１０が備える反射部３５に替えて傾斜反射部３７を設けてある。傾斜反射部３７は、集光用光学部材５０の方向に開口させた傾斜反射面３７ｒを有し、封止枠３１に当接させて設けてある。
【０１０８】
傾斜反射部３７は、傾斜反射面３７ｒを有することから、太陽電池１０に向けて集光された太陽光Ｌｓ（太陽光Ｌｓａ）を効果的に太陽電池素子１１へ集束させることが可能となり、集光特性をさらに向上させることが可能となる。また、集光用光学部材５０によって集光された太陽光Ｌｓが、集光位置ズレを生じた場合でも開口部３７ｗを有することから、太陽光Ｌｓを効率的に集束して太陽電池素子１１へ導光することが可能となり、集光特性を向上させることが可能となる。
【０１０９】
傾斜反射部３７は、例えば金属材料で形成することが可能である。金属材料としては、生産性、安全性、信頼性を考慮してアルミニウム（アルミニウム板）、ＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ：ステンレス鋼材。ステンレス鋼板）を適用することが望ましい。なお、アルミニウムには、アルミニウム合金を含ませることが可能である。
【０１１０】
傾斜反射部３７ｒは、鏡面仕上げを施すことにより、光沢面（鏡面）を有する形態とすることが可能であり、太陽光Ｌｓをさらに効果的に太陽電池素子１１に向けた集光することが可能となる。
【０１１１】
なお、本変形例では、傾斜反射部３７として、厚さ１．５ｍｍ程度のＳＵＳ板を適用した。また、傾斜反射部３７ｒを鏡面とし、さらにシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）の保護膜を形成した。結果として、波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍに対する反射率を６０％以上とすることができた。
【０１１２】
上述したとおり、本変形例によれば、傾斜反射部３７ｒを備えることから、太陽光Ｌｓを容易かつ高精度に太陽電池素子１１に向けて集光することが可能となり、集光特性を確実に向上させて、発電効率を向上させることが可能となる。
【０１１３】
また、傾斜反射部３７は、封止枠３１に当接して設ける形状としたが、レシーバ基板２０に直接立設させることも可能である。
【０１１４】
本実施の形態に係る太陽電池１０は、上述した形態に限るものではなく実施の形態１、実施の形態２に係る集光用光学部材５０に適合する形態であれば良く、種々の変形を施すことが可能である。
＜実施の形態４＞
図７に基づいて、本実施の形態に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールについて説明する。
【０１１５】
図７は、本発明の実施の形態４に係る集光用光学部材および集光型太陽光発電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【０１１６】
本実施の形態に係る集光用光学部材６０および集光型太陽光発電モジュール４０の基本的な構成は、実施の形態１に示した集光用光学部材５０および集光型太陽光発電モジュール４０と同様であるので、同一の符号を適用し、主に異なる事項について説明する。また、実施の形態３に示した太陽電池１０は、本実施の形態にも適用可能である。
【０１１７】
本実施の形態に係る集光用光学部材６０は、複合型レンズとして構成されており、透光性基板とするガラス板６３と、太陽光Ｌｓが入射される側に配置され第１屈折率を有する第１光学部材６１と、太陽電池素子１１の側に配置され第２屈折率を有する第２光学部材６２とを備え、第１屈折率と第２屈折率とは異なる値としてある。つまり、集光用光学部材６０は、透光性基板とするガラス板６３、第１光学部材６１、第２光学部材６２をこの順で重ねた構成とされている。
【０１１８】
ガラス板６３は、平行な２平面を有する透光性基板として形成されている。また、第１光学部材６１は、第１光学部材６１の太陽光Ｌｓが入射される外側面６１ｓがガラス板６３に当接するとともに太陽電池素子１１に対向する内側面６１ｄが凹状である凹型レンズとして形成されている。第２光学部材６２は、第２光学部材６２の太陽光Ｌｓが入射される外側面６２ｓが第１光学部材６１の内側面６１ｄに当接するとともに太陽電池素子１１に対向する内側面が凸状である両側面が凸状の凸型レンズとして形成されている。
【０１１９】
したがって、この集光用光学部材６０によって、ガラス板６３と第１光学部材６１を通過させた太陽光Ｌｓを第２光学部材６２の受光面に非結像の微小な太陽光として発散させ、第２光学部材６２の出光面から太陽電池素子１１へ向けて収束させる。このように微小な散乱効果をもたらす凹型レンズで構成された第１光学部材６１と集光効果を有する凸型レンズで構成された第２光学部材６２とを組み合わせることにより、従来のレンズの色収差を抑制して、集光太陽電池用の複合型レンズを形成することができる。
【０１２０】
本実施の形態では、第１光学部材６１として、例えばシリコーン樹脂の凹型発散光レンズを使用し、使用温度２０℃、波長６００ｎｍでの屈折率は１．４１である。また、第２光学部材６２として、アクリル樹脂材料の凸型集光フレネルレンズを使用し、使用温度２０℃、波長６００ｎｍでの屈折率は１．５１である。
【０１２１】
第１光学部材６１としてシリコーン樹脂、第２光学部材６２としてアクリル樹脂を適用した集光用光学部材６０は、例えば次の処理工程によって製造することができる。まず、凹型表面形状の第１光学部材６１に対応する金型に樹脂を注型した状態でガラス板６３を樹脂に当接して熱固化することによって、ガラス板６３に第１光学部材６１を形成する。このときの熱固化温度は１５０℃程度である。
【０１２２】
次に、アクリル樹脂をフレネルレンズ形状の金型を用いて第２光学部材６２とするアクリルフレネルレンズを成型する。このアクリルフレネルレンズを、第１光学部材６１の上に低真空状態で熱固化方法により形成する。このときの加熱形成温度は、１００℃程度である。
【０１２３】
上記したとおり、本実施の形態に係る集光型太陽電池モジュール４０に適用される集光レンズは、色収差を抑制することが可能な複合型レンズとなっている。
【０１２４】
以上、本実施の形態について説明してきたが、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【０１２５】
すなわち、本実施の形態による焦点距離を短くする（集光用光学部材と太陽電池素子との間の間隔（集光用光学部材のワーキング距離Ｗｄ）を短縮する）技術を用いることで、太陽電池素子受光面の光強度分布をより均一に制御することが可能となり、セル内の発電電流の偏りを無くし、局所的な発熱などによる発電効率の低下などを防止することができる。
【０１２６】
つまり、従来のフレネルレンズを用いる限りにおいては、屈折率の波長依存性により各波長の集光焦点（ワーキング距離Ｗｄ）が異なる。このような現象は一般的には色収差と呼ばれ、単純なレンズを用いた場合は色収差により太陽電池素子受光面での光強度分布の偏りが発生する。このような色収差に起因する問題に対しては、集光システムに２次光学プリズムを採用するのが一般的である。
【０１２７】
しかし、本実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュールに適用される複合レンズによれば、従来のレンズにおける色収差を抑制して、２次光学プリズムを小型化すること、或いは２次光学プリズムを省略することが可能になる。これに伴ってレシーバ構造の簡素化が可能となり、太陽光に対する集光特性を向上させ、より安価な集光型太陽光発電モジュールとすることができる。
【０１２８】
また、集光レンズの色収差は、太陽電池素子面内における照射エネルギー密度分布により、太陽電池素子の出力特性に顕著に影響を及ぼす。照射エネルギー密度に密度ムラが生じることにより、レンズ集光効率が低下し、太陽電池素子受光面内の波長による不均一分布で太陽電池素子の曲線因子（ＦＦ）が敏感に影響される。
【０１２９】
本実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュールは、各種類の高効率太陽電池を適用することができる。例えば、単結晶シリコン高効率太陽電池、ＣＩＳ高効率太陽電池、或いはＧａＡｓ化合物半導体太陽電池などが適用できる。
【０１３０】
例えば、太陽電池１０は、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３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１１がアルミニウム板で構成されたレシーバ基板２０に搭載されたものであって、レシーバ基板２０が、放熱フィン（不図示）を備えてヒートシンクとなるプレート（不図示）に取り付けられていてもよい。この３接合太陽電池の分光範囲は、波長２８０ｎｍ〜２０００ｎｍであり、発電に大きく寄与する波長帯が異なる複数の発電層を積層したタイプの太陽電池素子においては、各層の発電電流密度が等しいことが好ましい。さらに、太陽電池素子受光面内の発電電流密度が均一であることが好ましく、太陽電池素子受光面の光強度分布を各波長帯毎に均一に制御することで、各層の発電電流密度が太陽電池素子受光面内で均一になり、太陽電池素子の変換効率が向上する。
【０１３１】
このように、集光レンズの色収差を抑制することは極めて重要な技術であり、本発明はこの点においても顕著な効果を奏するものである。
【０１３２】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【０１３３】
なお、この出願は、日本で２００８年４月８日に出願された特願２００８−１００４７８号に基づく優先権を請求する。その内容はこれに言及することにより、本出願に組み込まれるものである。また、本明細書に引用された文献は、これに言及することにより、その全部が具体的に組み込まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、集光用光学部材と太陽電池素子との間のワーキング距離を短縮し、集光レンズの色収差を抑制することにより、集光特性を改善して集光型太陽光発電モジュールを小型化、薄型化することが可能な集光用光学部材、およびそのような集光用光学部材を適用した集光型太陽光発電モジュールを提供することが可能であり、有益である。
【符号の説明】
【０１３５】
１０  太陽電池
１１  太陽電池素子
２０  レシーバ基板
３１  封止枠
３２  透光性被覆板
３３  樹脂封止部
３５  反射部
３５ｗ  光透過窓
３７  傾斜反射部
３７ｒ  傾斜反射面
３７ｗ  開口部
４０  集光型太陽光発電モジュール
５０、６０  集光用光学部材
５１、６１  第１光学部材
５１ｄ、６１ｄ、６２ｄ  内側面
５１ｓ、６１ｓ、６２ｓ  外側面
５２、６２  第２光学部材
５３  反射防止膜
５４  透光性基板
５４ｓ  外側面
６３  ガラス板
Ｃｃ  中心
Ｌａｘ  光軸
Ｌｓ、Ｌｓａ、Ｌｓｖ  太陽光
Ｒｒ  半径
Ｓｓ  辺の長さ
Ｗｄ  ワーキング距離
【図１】
2009125722.tif 000003
【図２】
2009125722.tif 000004
【図３】
2009125722.tif 000005
【図４】
2009125722.tif 000006
【図５】
2009125722.tif 000007
【図６Ａ】
2009125722.tif 000008
【図６Ｂ】
2009125722.tif 000009
【図７】
2009125722.tif 000010
【図８】
2009125722.tif 000011
【国際調査報告】
2009125722.tif 000012
2009125722.tif 000013
2009125722.tif 000014
2009125722.tif 000015