(57)【要約】【課題】  本発明は、集光面積と光起電力素子の面積を自由に設定できて設計上の自由度が高く、構造も簡単で低コストな光起電力装置用集光シートおよび光起電力装置を提供する。  【解決手段】    太陽電池モジュール１は、光起電力素子２と、太陽光を集めてその光起電力素子２に入射させる光起電力装置用集光シート３とからなる。集光シート３は、板状の導光板５と、入射する光を導光板５に偏向させる偏向光学部材６と、導光板５の内部の光を外部に取り出す光取り出し部材７と、導光板５の光を反射する光反射層８とからなっている。導光板５は無色透明な樹脂によって上面および下面部分の屈折率が１．５と最も低く、上面と下面の中間部分の屈折率が１．８と最も高く、かつその間は上面側から厚み方向に向って屈折率が連続的に高くなり、入射した光を厚みの内部に閉じ込めて光起電力素子２へ導く。【選択図】図１
2012079749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状をなし、一方の主面を光入射面とし、その厚みの内部に光を閉じ込めて導く導光板と、
該導光板の他方の主面の一部に設けられ、前記導光板の内部の光を外部に取り出す光取り出し部材と、
を有することを特徴とする光起電力装置用集光シート。
【請求項２】
前記導光板の前記光入射面には、入射する光を偏向させる偏向光学部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項３】
前記導光板の前記他方の主面および／または前記導光板の端面には、光を反射させる光反射層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項４】
前記光取り出し部材は、前記導光板の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項５】
前記導光板は、前記光入射面側から厚み方向に向って屈折率が連続的に高くなりその後、前記他方の主面側に向って屈折率が連続的に低くなる屈折レンズ構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項６】
前記導光板は、前記屈折レンズ構造を複数層備えることを特徴とする請求項５記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項７】
前記導光板は、当該導光板の厚みの中において棒状のレンズ領域を画定し、当該レンズ領域内の屈折率を、当該レンズ領域の中心から周辺に向かって連続的に低くなるように変化させるとともに、当該レンズ領域の少なくとも一端を前記光取り出し部材に接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項８】
前記レンズ領域は、前記導光板の中央部に設けた前記光取り出し部材を中心として、前記導光板の厚みの中において放射状に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項９】
前記レンズ領域は、前記導光板の中央部に設けた前記光取り出し部材を中心として、前記導光板の厚みの中において渦巻き状に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光起電力装置用集光シート。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の光起電力装置用集光シートと、
当該光起電力装置用集光シートの前記光取り出し部材に面するように設けられた光起電力装置と、を備えたことを特徴とする光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる太陽光発電などに用いられる光起電力装置用集光シートおよび光起電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電に用いられる太陽電池パネルとしては、パネルのほぼ全面に光起電力素子を配列しており、光起電力素子に直接的に太陽光を入射させて発電するものが一般的である。このような太陽電池パネルは構造は単純であるが、発電に寄与する受光量を増大させるためには光起電力素子そのものの面積を増大させなければならず、光起電力素子そのものの製造コストが高いために、発電コストも高くなっていた。
【０００３】
一方、光起電力素子の面積を増大させずに受光量を増大させる試みとして、特許文献１、特許文献２のように太陽光を集光させて光起電力素子に入射させる提案がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３４０４９３号公報
【特許文献２】特開２００９−２２９５８１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に記載のものでは、導光板の端縁のみに光起電力素子を取り付ける構造となっており、光起電力素子の大きさが導光板の厚みに依存するため、光起電力素子の大きさが限られることになり、集光効率が多少高くても結果的に発電量が限られてしまう。仮に光起電力素子を大きくするためには導光板を大きくしなければならず、装置そのものが巨大化してしまう。
【０００６】
特許文献２に記載のものでは、光圧縮レンズを用いてエネルギ密度を増大させた光を出力しており、集光効率は高められるが、反面、導光板や圧縮レンズなど構造が複雑である上に、出力部から光起電力素子まで別途光を導く構造が必要となり、コストが高い。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされてなされたものであり、集光面積と光起電力素子の面積を自由に設定できて設計上の自由度が高く、また光起電力素子も一体に構成することが可能で構造も簡単で低コストな光起電力装置用集光シートおよび光起電力装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、板状をなし、一方の主面を光入射面とし、その厚みの内部に光を閉じ込めて導く導光板と、該導光板の他方の主面の一部に設けられ、前記導光板の内部の光を外部に取り出す光取り出し部材と、を有することを特徴とする光起電力装置用集光シートである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記導光板の前記光入射面には、入射する光を偏向させる偏向光学部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記導光板の前記他方の主面および／または前記導光板の端面には、光を反射させる光反射層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置用集光シートである。
請求項４に記載の発明は、前記光取り出し部材が、前記導光板の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、前記導光板が、前記光入射面側から厚み方向に向って屈折率が連続的に高くなりその後、前記他方の主面側に向って屈折率が連続的に低くなる屈折レンズ構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、前記導光板が、前記屈折レンズ構造を複数層備えることを特徴とする請求項５記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、前記導光板が、当該導光板の厚みの中において棒状のレンズ領域を画定し、当該レンズ領域内の屈折率を、当該レンズ領域の中心から周辺に向かって連続的に低くなるように変化させるとともに、当該レンズ領域の少なくとも一端を前記光取り出し部材に接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、前記レンズ領域が、前記導光板の中央部に設けた前記光取り出し部材を中心として、前記導光板の厚みの中において放射状に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、前記レンズ領域が、前記導光板の中央部に設けた前記光取り出し部材を中心として、前記導光板の厚みの中において渦巻き状に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光起電力装置用集光シートである。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の光起電力装置用集光シートと、当該光起電力装置用集光シートの前記光取り出し部材に面するように設けられた光起電力装置と、を備えたことを特徴とする光起電力装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、  集光面積と光起電力素子の面積を自由に設定できて設計上の自由度が高く、また光起電力素子も一体に構成することが可能で構造も簡単で低コストな光起電力装置用集光シートおよび光起電力装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第1の実施の形態に係る太陽電池モジュールを示す図である。
【図２】太陽電池モジュールの製造方法を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池モジュールを示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る太陽電池モジュールを示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る太陽電池モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜第１の実施形態＞
【００２０】
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る光起電力装置としての太陽電池モジュール１の平面図と断面図であり、図中の各部の大きさ等は誇張して描いてある。太陽電池モジュール１は、光起電力素子（いわゆる太陽電池セル）２と、太陽光を集めてその光起電力素子２に入射させる光起電力装置用集光シート（以下、単に集光シートと称する）３とからなり、光起電力素子２は集光シート３の光取り出し部（後述する）に面するように設けられる。
【００２１】
光起電力素子２は、ガラス基板４の表面に形成されており、図示しない電気配線により起電力を取り出すようになっている。集光シート３は、板状であってその上面から入射した光を厚みの内部に閉じ込めて導く導光板５と、導光板５の上面に形成されて入射する光を導光板５に偏向させる偏向光学部材６と、導光板５の下面の中央部に設けられ、導光板５の内部の光を外部に取り出す光取り出し部材７と、導光板５の下面（光取り出し部材７が形成されている部分を除く）と側端面とに形成されて光を反射する光反射層８とからなっている。
【００２２】
導光板５は無色透明な樹脂によって高さ（厚み）が０．５ｍｍ乃至３ｍｍ程度に形成され、図１（Ｂ）右側の高さ方向の屈折率の分布図に示すように、その上面および下面部分の屈折率が１．５と最も低く、上面と下面の中間部分の屈折率が１．８と最も高く、かつその間は上面側から厚み方向に向って屈折率が連続的に高くなり、上面と下面の中間部分のピークを過ぎると、その後は下面側に向って屈折率が連続的に低くなるような屈折レンズ構造となっている。
【００２３】
偏向光学部材６は屈折率１．８の無色透明の樹脂を高さ０．１ｍｍ乃至１ｍｍの断面三角形のプリズム形状に形成したもので、太陽電池モジュール１の上面に対して斜めに入射した光を偏向させて導光板５の上面に入射させる。光取り出し部材７は、導光板５の下面の中央部の光起電力素子２とほぼ同じ形状、同じ面積の領域に対して、屈折率１．８の無色透明の樹脂を高さ０．５ｍｍ乃至１．５ｍｍ程度、すなわち導光板５の下面からその厚みのほぼ半分程度までの高さを有する三角形のプリズム形状に形成してその下面を導光板５の外部（下方）に臨ませ、導光板５の内部の光をその下面から外部に取り出す光取り出し部を構成する。光反射層８は、アルミニウムや銀等の金属よりなり、導光板５の下面（光取り出し部材７が形成されている部分を除く）および側端面とに形成されて、導光板５のそれらの部位から外部に向う光を導光板５の内部に向けて反射させる。なお、偏向光学部材６のプリズム形状は太陽電池モジュール１全体と比べると微小であるので、図１（Ｂ）では誇張して記載したが、図１（Ａ）では記載は省略している。
【００２４】
これらの構造により、図１（Ｂ）に示すように、太陽電池モジュール１の上面に光起電力素子２の上方位置に垂直に近い角度で入射した光Ｌは、偏向光学部材６および導光板５を通過してそのまま光起電力素子２に入射する。また、太陽電池モジュール１の周辺部分に斜め方向に入射した光Ｍは、偏向光学部材６によって偏向されて導光板５に入射し、導光板５の内部ではその上下方向における屈折率の分布によって導光板５の上面側と下面側との間で屈折を繰り返してその厚みの内部に閉じ込められる。また、導光板５に入射する位置と角度によっては光Ｎのように光反射層８によって反射されて、同様に導光板５の厚みの内部に閉じ込められる。そして、閉じ込められた光が、導光板５の内部に至っている光取り出し部材７に入射すると、その光取り出し部材７によって屈折してその下面から外部に取り出される。光取り出し部材７の外部には光起電力素子２が位置しており、取り出された光は光起電力素子２に入射してその発電に寄与する。
【００２５】
ここでは、各部による光の吸収や漏れを除き、導光板５の面積全体（偏向光学部材６の面積とほぼ等しい）に入射する光のほとんど全てを光起電力素子２に導くことができ、導光板５の面積と光起電力素子２の面積を任意に設定することができ、光起電力素子２に入射する光の強度や集光倍率などを自由に設計できて設計の自由度が高い。従って、光起電力素子２の特性に合わせて、効率の良い光量を得るため、それらの面積を任意に設定することができる。本実施の形態では、導光板５の面積は光起電力素子２の面積の約１０倍程度を目安に設定している。また光起電力素子２と導光板５などの集光シート３を一体に形成しているので構造や設置が簡単で低コストな太陽電池モジュール１が得られる。
【００２６】
次に、太陽電池モジュール１の製造方法を説明する。まず、ガラス基板４の表面（上面）に光起電力素子２を形成する。これは周知の方法により行うことができる。つぎにそのガラス基板４の表面の光起電力素子２の周囲に、光反射層８を形成する。この光反射層８は、例えばアルミニウムや銀などの金属板を接着等により取り付けるか、あるいはインクジェットプリンタにそれらの金属を含むメタルインクを用いて、光反射層８の形に吐出し硬化させることにより形成可能である。一回の印刷で所望の厚みに達しない場合には、メタルインクの吐出、硬化の印刷工程を複数回繰り返せばよい。
【００２７】
次に、光反射層８および光起電力素子２の上面に、導光板５と光取り出し部材７とを形成する。これらは、硬化後に屈折率１．５の樹脂となるＵＶ硬化性の透明インクＡと、硬化後に屈折率１．８の樹脂となるＵＶ硬化性の透明インクＢとを用いてインクジェットプリンタにより、製造する。さらに詳しくは、導光板５の下面の部分から順に、必要部分に所望の屈折率となるような透明インクを印刷、硬化させて透明樹脂の層を作る工程を繰り返して、形成した透明樹脂層を積み重ねて、所望の厚みになるまで繰り返す。例えば、光取り出し部材７を形成する部分には屈折率１．８となる透明インクＢを吐出し硬化させる。
【００２８】
また、図１（Ｂ）に示すような導光板５の厚み方向の屈折率の連続的な変化部分は、透明インクＡと透明インクＢの吐出割合を厚み方向に変化させることで製造できる。図２はこの導光板５の厚み方向の製造過程のための透明インクの吐出パターンを模式的に示す。この図２において、白丸は低屈折率の透明インクＡの液滴、ハッチング入りの丸は高屈折率の透明インクＢの液滴を示す。このように厚み方向の中央部分に高屈折率の透明インクＢを多く吐出し、上面および下面付近は低屈折率の透明インクＡを多く吐出し、その中間部分でそれらの吐出割合を徐々に変化させながら、厚み方向に１層づつ吐出と硬化を繰り返すことで、最終的には屈折率の勾配がついた導光板５を製造できる。
【００２９】
なおこのインクジェットプリンタによる屈折率勾配部分の製造過程では、透明インクの吐出後、吐出された２種の透明インクがある程度にじんで混じりあった後に硬化させることで、屈折率のムラを低減して中間的な屈折率の層が良好に形成できる。また多少の屈折率のムラが残ったとしても、太陽電池モジュール１においては屈折率の変化によって光の曲がりが生じていればよいので、屈折率のムラによって多少の光の散乱が生じても特性を大きく劣化させることはなく、実用上の問題は生じない。
【００３０】
なお、この光反射層８をインクジェットプリンタで形成する場合には、集光シート３の側端縁部分の光反射層８ａについては導光板５と光取り出し部材７の形成と同時に光反射層８ａも形成すればよい。
【００３１】
最後に、導光板５の上面に偏向光学部材６を形成する。これも同様にインクジェットプリンタを用いて屈折率１．８となる透明インクＢを高さ０．１ｍｍ乃至１ｍｍの三角形のプリズム形状になるように吐出し、硬化させる。
【００３２】
以上により、太陽電池モジュール１の製造が可能である。なお、上記の方法では光起電力素子２を形成したガラス基板４にさらに集光シート３を形成して太陽電池モジュール１を製造したが、集光シート３のみを単独で製造して、別途製造した光起電力素子と組み合わせて太陽電池モジュールとすることもできる。この場合、集光シート３の製造は、例えばガラス基板に光反射層８や導光板５等を印刷して形成すればよい。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
【００３４】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光起電力装置としての太陽電池モジュール１１の断面図である。この第２の実施の形態の以下の説明では、第１の実施の形態と同一もしくは対応する部分については対応する符号を付し、関連説明は一部省略する。
【００３５】
この太陽電池モジュール１１においては、集光シート１３の構造が第１の実施の形態の太陽電池モジュール１と異なっている。ここでは、集光シート１３の導光板１５が、下から第一層１５ａ、第二層１５ｂ、第三層１５ｃの三層構造となっている。そして、第一層１５ａと第三層１５ｃとは、それぞれが先に説明した太陽電池モジュール１の導光板５と同様に、その高さ（厚み）方向に屈折率の分布を持つ屈折レンズ構造を持つ。すなわち、図３右側の高さ方向の屈折率の分布図に示すように、第一層１５ａと第三層１５ｃのそれぞれが、その上面および下面部分の屈折率が１．５と最も低く、上面と下面の中間部分の屈折率が１．８と最も高く、かつその間は上面側から厚み方向に向って屈折率が連続的に高くなり、上面と下面の中間部分のピークを過ぎると、その後は下面側に向って屈折率が連続的に低くなるような屈折レンズ構造となっている。また、第二層１５ｂは屈折率が１．５の層である。
【００３６】
光取り出し部材１７は、導光板１５の下面からその中央の第二層１５ｂを超えて第三層１５ｃの中央付近まで至る高さを有する断面三角形をなす。素材は屈折率１．８の無色透明の樹脂である。
【００３７】
この第２の実施の形態においては、これらの構造、特に導光板１５の第一層１５ａと第三層１５ｃの２つの層を屈折レンズ構造を持つことにより、１つの屈折レンズ構造が１つだけの場合に比べて、太陽電池モジュール１１に入射した光をより効率よく光起電力素子２に伝えることで発電に寄与しない光を減少させ、より高出力が得られ、発電効率を高めることができる。なお、この太陽電池モジュール１１の製造方法としては、第１の実施の形態にならってインクジェットプリンタを用いて製造する方法があげられる。
【００３８】
＜第３の実施形態＞
【００３９】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る光起電力装置としての太陽電池モジュール２１の平面図と断面図であり、図４（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ図４（Ａ）中のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線の断面図である。
【００４０】
この太陽電池モジュール２１においては、集光シート２３の構造が第１および第２の実施の形態の太陽電池モジュール１、１１と異なっている。ここでは、集光シート２３が、導光板２５として、透明樹脂にて形成された多数の円筒形のロッドレンズ２５ａと、そのロッドレンズ２５ａを支持する透明樹脂製の支持層２５ｂとからなるものとなっている。ロッドレンズ２５ａのそれぞれは、導光板２５の厚みの中に配置されており、断面円形の円筒形であって、中心部分の屈折率が高く（例えば１．８）、円筒側面に近い部分の屈折率が低く（例えば１．５）なるように製造され、いわゆる光ファイバと同様の構造を持つ棒状のレンズ領域となっている。そしてロッドレンズ２５ａのそれぞれは、太陽電池モジュール２１の周辺側においては集光シート２３の側端縁部分の光反射層８ａに近接または接触して、その側に向った光を中央側に反射させるとともに、中央側すなわち光起電力素子２の上部においては光起電力素子２の上部に配設されている光取り出し部材７に光学的に結合されるよう連結される。なお、支持層２５ｂは屈折率が低い（例えば１．５）透明樹脂にて形成されている。
【００４１】
この第３の実施の形態においても、太陽電池モジュール２１の周辺部分に入射した光がロッドレンズ２５ａに入射して太陽電池モジュール２１の中央部に導かれ、光取り出し部材７によって光起電力素子２に入射する。これによって、偏向光学部材６によって偏向されて導光板５に入射した光が、その発電に寄与する。図４（Ａ）では平面的にロッドレンズ２５ａが存在しない領域が相当みられるように描かれているが、ロッドレンズ２５ａの大きさ、配置等を最適化することでカバーする平面領域を増大させたり、あるいはロッドレンズ２５ａを備えた導光板２５を第２の実施形態のように複数層設けてロッドレンズ２５ａが存在しない領域を十分に小さくでき、偏向光学部材６に入射した光のほとんど全てを漏らさずに光起電力素子２に入射させることができる。また、この太陽電池モジュール２１の製造方法でも、第１および第２の実施の形態にならってインクジェットプリンタを用いることができる。
【００４２】
＜第４の実施形態＞
【００４３】
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る光起電力装置としての太陽電池モジュール３１の平面図と断面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）中のＢ−Ｂ線の断面図である。
【００４４】
この太陽電池モジュール３１においては、集光シート３３の導光板３５の構造が第３の実施の形態と違い、導光板３５の面内において、円筒形のロッドレンズ３５ａが光起電力素子２を中心として渦巻き型に配置されている。ロッドレンズ３５ａは導光板２５の厚みの中に配置されており、断面円形の円筒形であって、中心部分の屈折率が高く（例えば１．８）、円筒側面に近い部分の屈折率が低く（例えば１．５）なるように製造され、いわゆる光ファイバと同様の構造を持つ棒状のレンズ領域となっている点、ロッドレンズ３５ａを支持し固定する支持層３５ｂは屈折率が低い（例えば１．５）透明樹脂にて形成されている点については、第３の実施の形態と同様である。
【００４５】
そしてロッドレンズ３５ａは、太陽電池モジュール２１の周辺側においては集光シート３３の側端縁部分の光反射層８ａに近接または接触して、その側に向った光を中央側に反射させるとともに、中央側すなわち光起電力素子２の上部（渦巻き型の中心部）においては光起電力素子２の上部に配設されている光取り出し部材７に光学的に結合されるよう連結される。
【００４６】
この第４の実施の形態においても、太陽電池モジュール３１の周辺部分に入射した光がロッドレンズ３５ａに入射して太陽電池モジュール３１の中央部に導かれ、光取り出し部材７によって光起電力素子２に入射する。これによって、偏向光学部材６によって偏向されて導光板５に入射した光が、その発電に寄与する。図５（Ａ）では平面的にロッドレンズ３５ａの渦巻きの隙間（ロッドレンズ３５ａが存在しない領域）が相当みられるように描かれているが、ロッドレンズ３５ａの太さ、配置等を最適化することでカバーする平面領域を増大させたり、あるいはロッドレンズ３５ａを備えた導光板３５を第２の実施形態のように複数層設けてロッドレンズ３５ａの隙間を十分に小さくでき、偏向光学部材６に入射した光のほとんど全てを漏らさずに光起電力素子２に入射させることができる。また、この太陽電池モジュール３１の製造方法でも、同様にインクジェットプリンタを用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１    太陽電池モジュール
２    光起電力素子
３、１３、２３、３３    集光シート
５、１５、２５、３５    導光板
６    偏向光学部材
７    光取り出し部材
８    光反射層８とからなっている。
２５ａ、３５ａ    ロッドレンズ
【図１】
2012079749.tif 000003
【図２】
2012079749.tif 000004
【図３】
2012079749.tif 000005
【図４】
2012079749.tif 000006
【図５】
2012079749.tif 000007