(57)【要約】【課題】集光効率が高い集光器を提供すること。【解決手段】第１の透明媒質及びその中に分散した微粒子１２を含む散乱層３と、前記散乱層３における一方の側に設けられ、第２の透明媒質を含む光透過層５と、前記散乱層３における前記一方とは反対側に設けられた散乱層側光反射層７と、を備え、前記微粒子１２の屈折率は前記第１の透明媒質の屈折率より大きく、前記第２の透明媒質の屈折率は前記第１の透明媒質の屈折率より大きいことを特徴とする集光器１。【選択図】 図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明媒質及びその中に分散した微粒子を含む散乱層と、
前記散乱層における一方の側に設けられ、第２の透明媒質を含む光透過層と、
前記散乱層における前記一方とは反対側に設けられた散乱層側光反射層と、
を備え、
前記微粒子の屈折率は前記第１の透明媒質の屈折率より大きく、
前記第２の透明媒質の屈折率は前記第１の透明媒質の屈折率より大きいことを特徴とする集光器。
【請求項２】
前記散乱層は、含有する前記微粒子の平均粒径が互いに異なる複数の区分層から構成されることを特徴とする請求項１に記載の集光器。
【請求項３】
前記一方の側に近い前記区分層であるほど、その区分層に含まれる前記微粒子の平均粒径が大きいことを特徴とする請求項２に記載の集光器。
【請求項４】
前記光透過層のうち、前記散乱層とは反対側の面の一部に光透過層側光反射層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の集光器。
【請求項５】
前記微粒子は、前記散乱層のうち、前記光透過層側光反射層が設けられていない部分に対向する領域に選択的に分散していることを特徴とする請求項４に記載の集光器。
【請求項６】
前記光透過層のうち、前記光透過層側光反射層が設けられていない部分に外部の光を集光する集光手段を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の集光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば太陽光等の光を集光する集光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境への関心が高まる中、太陽光の利用が注目されている。太陽光を利用するためには、太陽光を効率よく集光する技術が必要となる。太陽光を集光する技術として、蛍光物質を含む透明媒質から成る蛍光集光板に太陽光を入射させ、入射した太陽光を蛍光物質で波長変換し、波長変換後の光を蛍光集光板内で全反射させながら端面に導く技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、光透過性を有する部材とその中に分散された粒子とから成る集光光学素子が提案されている（特許文献２参照）。この集光光学素子は、その内部において入射光を粒子で散乱させ、端面に集光する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６３１１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−３７６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の技術では、蛍光物質による変換において集光効率が低下してしまう。また、特許文献２記載の技術では、粒子で散乱された散乱光が、粒子の存在する集光光学素子内を進行するため、粒子による散乱光の吸収が顕著となり、集光効率が低下してしまう。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、集光効率が高い集光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の集光器は、第１の透明媒質及びその中に分散した微粒子を含む散乱層と、散乱層における一方の側に設けられ、第２の透明媒質を含む光透過層と、散乱層における前記一方とは反対側に設けられた散乱層側光反射層とを備え、微粒子の屈折率は第１の透明媒質の屈折率より大きく、第２の透明媒質の屈折率は第１の透明媒質の屈折率より大きいことを特徴とする。
【０００７】
本発明の集光器は以下のようにして集光を行う。光透過層を透過した光は、散乱層に入射する。散乱層に入射した光は、微粒子により多方向に散乱される。散乱光のうち、光透過層の方向に進む光は、光透過層に入る。また、散乱光のうち、散乱層側光反射層の方向に進む光は、散乱層側光反射層で反射し、散乱層を透過して、光透過層に入る。よって、微粒子により散乱された散乱光の大部分は、結局、光透過層に入る。
【０００８】
光透過層に入った光は、光透過層の両側の界面における反射を繰り返しながら光透過層内を進み、光透過層の端面に至り、集光器の外側に射出される。
上記の集光の過程において、蛍光物質等の使用は必須ではないので、蛍光物質の使用による集光効率の低下を抑制できる。
【０００９】
また、微粒子で散乱された散乱光は、光透過層内を進んで端面に至るので、微粒子による散乱光の吸収を抑制でき、その結果、集光器の集光効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】集光器１の構成を表す平面図である。
【図２】集光器１のII-II断面における断面図である。
【図３】集光器１の端面５ｂ付近の構成を表す断面図である。
【図４】シミュレーションの結果を表す説明図であって、（ａ）は入射光の波長が５００ｎｍの場合であり、（ｂ）は入射光の波長が５３０ｎｍの場合であり、（ｃ）は入射光の波長が５５０ｎｍの場合である。
【図５】シリコン微粒子１２の粒径と、特定波長光の波長との関係を表すグラフである。
【図６】区分層１９、２１、２３、２５、２７から成る散乱層３の構成を表す断面図である。
【図７】集光器１の構成を表す断面図である。
【図８】区分層１９、２１、２３、２５、２７から成る散乱層３の構成を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態を説明する。第１の透明媒質は、例えば、太陽光の波長領域のうちの全部又は一部の波長の光を透過させる媒質である。ここで、透過させるとは、全てを透過させるものだけではなく、一部を透過させるものであってもよい。第１の透明媒質は、例えば、空気や各種透明樹脂により構成できる。第１の透明媒質の屈折率は１．０〜１．４の範囲内であることが好ましい。この範囲内であることにより、集光効率を一層向上させることができる。
【００１２】
散乱層の膜厚は１μｍ〜１ｍｍの範囲が好ましい。この範囲内であることにより、集光効率を一層向上させることができる。
微粒子の材質は特に限定されず、例えば、シリコン、ＳｉＣ、ＴｉＯ２等が挙げられる。微粒子の平均粒径は、例えば、１０ｎｍ〜２μｍとすることができる。この範囲内であることにより、太陽光の波長領域の光を効率よく分散させることができる。微粒子の形状は特に限定されず、例えば、球形、楕円形、矩形、棒状、ランダムな形状等とすることができる。微粒子の屈折率は、３〜４の範囲が好ましい。この範囲内であることにより、効率的に光を散乱させることができる。
【００１３】
第２の透明媒質は、例えば、太陽光の波長領域のうちの全部又は一部の波長の光を透過させる媒質である。第２の透明媒質は、例えば、各種透明樹脂により構成できる。第２の透明媒質の屈折率は第１の透明媒質の屈折率より大きく、１．３〜１．７の範囲内であることが好ましい。この範囲内であることにより、集光効率を一層向上させることができる。光透過層の膜厚は、０．５〜５ｍｍの範囲が好ましい。この範囲内であることにより、集光効率を一層向上させることができる。
【００１４】
散乱層側光反射層７、及び光透過層側光反射層９は、太陽光の波長領域のうちの全部又は一部の波長の光を反射させる層である。散乱層側光反射層７、及び光透過層側光反射層９は例えば、金属（例えばアルミニウム）から成る膜とすることができる。散乱層側光反射層７、及び光透過層側光反射層９の膜厚は、０．５μｍ以上であることが好ましい。０．５μｍ以上であることにより、光を一層透過させにくくなる。
【００１５】
集光手段は、例えば、周知のレンズ、反射鏡等で構成することができる。
本発明の集光器は、太陽光（例えば、３００ｎｍ〜１０μｍの波長領域の光）の集光に用いることができるし、それ以外の光の集光にも用いることができる。本発明の集光器は、例えば、太陽電池、自動車等の技術分野に用いることができる。
＜第１の実施形態＞
１．集光器１の構成
集光器１の構成を図１〜図２に基づいて説明する。集光器１は、図１に示すように矩形板状の形状を有する。また、集光器１は、図２に示すように、散乱層３、光透過層５、散乱層側光反射層７、光透過層側光反射層９、及びレンズ１１を備える。
【００１６】
散乱層３は、可視光に対して透明なアモルファスフッ素樹脂（旭硝子株式会社製のＣＹＴＯＰ（商品名））中に、多数のシリコン微粒子１２が分散したものである。このシリコン微粒子１２は、ＮａＢｏｎｄ社製のＳｉナノパウダー５０ｎｍであって、その平均粒径は５０ｎｍである。なお、平均粒径は、サンプリングによるＳＥＭ観察法で測定した値である。
【００１７】
シリコン微粒子１２は、散乱層３のうち、後述する光取込部１３に対向する領域（図２において光取込部１３の下側の領域）に選択的に分散している。ここで、選択的に分散しているとは、光取込部１３に対向する領域に存在するシリコン微粒子１２の数が、それ以外の領域に存在するシリコン微粒子１２の数に比べて十分に大きい、あるいは、光取込部１３に対向する領域のみにシリコン微粒子１２が存在することをいう。散乱層３の膜厚は１μｍである。アモルファスフッ素樹脂は第１の透明媒質の一実施形態である。
【００１８】
シリコン微粒子１２の屈折率は、３．９２（光の波長が０．６３μｍの場合）、３．４８（光の波長が１．５μｍの場合）であり、アモルファスフッ素樹脂の屈折率は１．３５である。よって、シリコン微粒子１２の屈折率はアモルファスフッ素樹脂の屈折率より大きい。
【００１９】
光透過層５は、散乱層３における一方の側（図２における上側）に設けられた層であって、可視光に対して透明なＰＭＭＡ(ポリメチルメタクリレート)から成る。光透過層５の膜厚は１ｍｍである。ＰＭＭＡの屈折率は１．４８であり、散乱層３を構成するアモルファスフッ素樹脂の屈折率より大きい。ＰＭＭＡは第２の透明媒質の一実施形態である。
【００２０】
散乱層側光反射層７は、散乱層３のうち、光透過層５とは反対側の面３ａに設けられたアルミニウムの層である。散乱層側光反射層７は、面３ａの全体を覆っている。散乱層側光反射層７の膜厚は０．５μｍである。散乱層側光反射層７は、散乱層３内を進む光を反射する作用を奏する。
【００２１】
光透過層側光反射層９は、光透過層５のうち、散乱層３とは反対側の面５ａに設けられたアルミニウムの層である。光透過層５は、面５ａのうち、中央の領域は覆わず、残りの領域を覆っている。面５ａのうち、光透過層側光反射層９で覆われていない部分を、光取込部１３とする。光透過層側光反射層９の膜厚は０．５μｍである。光透過層側光反射層９は光透過層５内を進む光を反射する作用を奏する。
【００２２】
レンズ１１は、光取込部１３と対向する部分に設けられている。レンズ１１は外部の光を集光し、光取込部１３に射出する。レンズ１１は集光手段の一実施形態である。
２．集光器１の製造方法
集光器１の製造方法を説明する。まず、フレキシブルな樹脂基材の上に、真空蒸着によりアルミニウム層を形成する。このアルミニウム層が散乱層側光反射層７となる。
【００２３】
次に、散乱層側光反射層７の上に、シリコン微粒子１２を分散したアモルファスフッ素樹脂の懸濁液をスプレーやスピンコートで塗布し、ベーク（焼成）して乾燥させる。この工程で生じた層が散乱層３となる。
【００２４】
次に、散乱層３の上に、ＰＭＭＡのフィルムを、熱をかけながら圧接する。この工程で生じた層が光透過層５となる。
次に、光透過層５の上に、真空蒸着によりアルミニウム層を形成する。このアルミニウム層が光透過層側光反射層９となる。光透過層側光反射層９の形成時、光透過層５の一部をマスクで覆い、その部分にはアルミニウム層が形成されないようにしておく。この部分が光取込部１３となる。次に、樹脂基材を散乱層側光反射層７から取り外し、レンズ１１を取り付けて集光器１が完成する。
【００２５】
３．集光器１が奏する作用効果
レンズ１１に太陽光を照射すると、太陽光はレンズ１１で集光され、光取込部１３に入射する。その太陽光はさらに、光透過層５を透過し、散乱層３に入射する。散乱層３に入射した太陽光は、シリコン微粒子１２により多方向に散乱される。この散乱はレーリー散乱、もしくは共鳴散乱である。
【００２６】
特に、太陽光のうち、シリコン微粒子１２の粒径に応じて決まる特定の波長領域の光（以下、特定波長光とする）は、高効率でシリコン微粒子１２の横方向（図２における左右方向）に散乱される。なお、特定波長光については後述する。
【００２７】
シリコン微粒子１２で散乱された太陽光のうち、光透過層５の方向に進む光は、光透過層５に入る。また、シリコン微粒子１２で散乱された太陽光のうち、散乱層側光反射層７の方向に進む光は、散乱層側光反射層７で反射し、散乱層３を透過して、光透過層５に入る。よって、シリコン微粒子１２で散乱された太陽光の大部分は、結局、光透過層５に入る。
【００２８】
光透過層５に入った太陽光は、光透過層側光反射層９での反射と、光透過層５／散乱層３の界面１５での反射とを繰り返しながら光透過層５内を進み、光透過層５の端面５ｂに至り、集光器１の外側に射出される。なお、上述したとおり、光透過層５の屈折率は散乱層３の屈折率より大きいので、光透過層５内を進む太陽光は、界面１５で反射する。以上の作用により、太陽光を集光し、端面５ｂから取り出すことができる。
【００２９】
上記の集光の過程において、蛍光物質は使用されないので、蛍光物質の使用による集光効率の低下を抑制できる。
また、シリコン微粒子１２で散乱された散乱光は、シリコン微粒子１２が存在しない光透過層５内を進んで端面５ｂに至るので、シリコン微粒子１２による散乱光の吸収を抑制でき、その結果、集光器１の集光効率が向上する。
【００３０】
なお、端面５ｂは、集光器１の四方の全てにおいて開放されていてもよい。この場合、四方の全てにおいて、端面５ｂから集光した太陽光を取り出すことができる。また、集光器１の四方のうち、一部は、図３に示すように、端面反射層１７により覆われていてもよい。この端面反射層１７は膜厚０．５μｍのアルミニウム層であり、太陽光を反射する。この場合、端面反射層１７が設けられている端面５ｂにおいては太陽光が反射し、その反射した太陽光は、端面反射層１７が設けられていない端面５ｂから取り出される。
【００３１】
集光器１は、太陽光、その中でもシリコン微粒子１２の平均粒径に対応する特定波長光を効率よく集光することができる。このことは、以下のシミュレーションにより裏付けられる。シミュレーションは、粒径１００ｎｍのシリコン微粒子に一定方向から単色光を入射し、散乱光を生じさせた場合の、散乱光の角度依存性を求めるものである。
【００３２】
図４（ａ）〜（ｃ）はシミュレーションの結果を示す。図４（ａ）〜（ｃ）ともに、単色光の入射方向は左方向である。図４（ａ）は入射光の波長が５００ｎｍの場合であり、図４（ｂ）は入射光の波長が５３０ｎｍの場合であり、図４（ｃ）は入射光の波長が５５０ｎｍの場合である。
【００３３】
入射光の波長が５３０ｎｍの場合は特異的に共鳴効果が高まり、横方向への散乱が非常に強くなった。この５３０ｎｍの波長の光は、特定波長光に該当する。一方、入射光の波長が５００ｎｍ、５５０ｎｍの場合は後方散乱が強くなる。５００ｎｍ、５５０ｎｍの波長の光は、特定波長光に該当しない。
【００３４】
このシミュレーション結果から、集光器１のシリコン微粒子１２は、その粒径に応じて決まる特定波長光を横方向に強く散乱し、その結果として、太陽光、その中でも特定波長光を効率よく集光することができることが確認できた。
【００３５】
シリコン微粒子の粒径と、特定波長光の波長とは、一定の関係がある。シミュレーションによって算出した、その関係を図５に示す。図５の横軸はシリコン微粒子の粒径（ｎｍ）であり、縦軸は光の波長（ｎｍ）である。図５において両矢印で示す範囲が、特定波長光の波長範囲である。よって、シリコン微粒子の粒径を調整することで、シリコン微粒子で横方向に強く散乱し、効率よく集光できる光の波長領域を調整することができる。
＜第２の実施形態＞
１．集光器１の構成
集光器１の構成は基本的には前記第１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、散乱層３の構成において相違する。以下ではその相違点を中心に説明する。散乱層３は、図６に示すように、５つの区分層１９、２１、２３、２５、２７が積層した構造を有する。各区分層は、アモルファスフッ素樹脂（旭硝子株式会社製のＣＹＴＯＰ（商品名））中に、多数のシリコン微粒子１２が分散したものであるという点では共通するが、それぞれが含有するシリコン微粒子１２の平均粒径において相違する。
【００３６】
区分層１９、２１、２３、２５、２７におけるシリコン微粒子１２の平均粒径は、それぞれ、２１５ｎｍ、１８５ｎｍ、１６０ｎｍ、１３５ｎｍ、２０ｎｍである。すなわち、光透過層５に近い区分層であるほど、その区分層に含まれるシリコン微粒子１２の平均粒径が大きい。
【００３７】
２．集光器１の製造方法
集光器１は前記第１の実施形態の場合と同様の方法で製造することができる。ただし、散乱層３は、区分層ごとに形成する。すなわち、まず、散乱層側光反射層７の上に、平均粒径２０ｎｍのシリコン微粒子１２を分散したアモルファスフッ素樹脂の懸濁液をスプレーやスピンコートで塗布し、ベークして乾燥させて区分層２７を形成する。以下同様に、区分層２５、２３、２１、１９を一層ずつ形成し、散乱層３を完成する。
【００３８】
３．集光器１が奏する作用効果
集光器１は、前記第１の実施形態の場合と略同様の作用効果を奏することができる。さらに、集光器１は、区分層１９、２１、２３、２５、２７が、それぞれ異なる平均粒径のシリコン微粒子１２を含有しているので、各区分層が、それぞれ異なる波長の特定波長光を散乱し、集光することができる。そのため、集光器１は、より広い波長領域の太陽光を集光することができる。
【００３９】
また、光透過層５に近い区分層であるほど、その区分層に含まれるシリコン微粒子１２の平均粒径が大きいので、光取込部１３から入射した太陽光は、散乱層３のうち、奥側（散乱層側光反射層７に近い側）の区分層まで効率よく到達することができる。
＜第３の実施形態＞
１．集光器１の構成
集光器１の構成は基本的には前記第１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、図７に示すように、光透過層側光反射層９を備えず、光透過層５の面５ａは全面にわたって開放されている。また、集光器１はレンズ１１も備えていない。また、シリコン微粒子１２は、散乱層３の全体にわたって分散されている。
【００４０】
２．集光器１が奏する作用効果
集光器１は、前記第１の実施形態の場合と略同様の作用効果を奏することができる。なお、光透過層５の屈折率は空気の屈折率より大きいので、光透過層５内を進む太陽光は、面５ａで反射する。そのため、光透過層５に入った太陽光は、面５ａでの反射と、界面１５での反射とを繰り返しながら光透過層５内を進み、光透過層５の端面５ｂに至り、集光器１の外側に射出される。
【００４１】
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１又は第２の実施形態において、散乱層３の全体にわたってシリコン微粒子１２が分散されていてもよい。
【００４２】
また、前記第２の実施形態における区分層の数は５以外の複数（例えば、２、３、４、６・・）であってもよい。
また、前記第２の実施形態において、図８に示すように、光透過層５に近い区分層であるほど、その区分層に含まれるシリコン微粒子１２の平均粒径を小さくしてもよい。例えば、区分層１９、２１、２３、２５、２７におけるシリコン微粒子１２の平均粒径を、それぞれ、２０ｎｍ、１３５ｎｍ、１６０ｎｍ、１８５ｎｍ、２１５ｎｍとすることができる。この場合でも略同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…集光器、３…散乱層、３ａ…面、５…光透過層、５ａ…面、５ｂ…端面、７…散乱層側光反射層、９…光透過層側光反射層、１１…レンズ、１２…シリコン微粒子、１３…光取込部、１５…界面、１７…端面反射層、１９、２１、２３、２５、２７…区分層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
2015011060.tif 000009
【図５】
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