(57)【要約】【課題】集光型太陽電池の１次集光後の光を均質化するホモジナイザーにおいて、光入射時の温度上昇を抑制し、十分にホモジナイズを行いつつ、集光光学系のモーメントを小さくできるようにする。【解決手段】本ホモジナイザーは、１次集光部材１から出射した光Ｂを導入する空間３を形成し、空間３側に全反射面４ｄが設けられている中空台座４、および全反射面４ｄ上に形成された光散乱膜５であって、内部での光散乱による光均質化機能を有する光散乱膜５を備える。１次集光部材２からの光を均質化して発電素子６へと向かって出射する。【選択図】                          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次集光部材で集光した太陽光を発電素子に対して均一に照射するための集光式太陽光発電装置用ホモジナイザーであって、
前記１次集光部材から出射した光を導入する空間を形成し、前記空間側に全反射面が設けられている中空台座、および前記全反射面上に形成された光散乱膜であって、内部での光散乱による光均質化機能を有する光散乱膜を備えており、前記１次集光部材からの光を均質化して前記発電素子へと向かって出射することを特徴とする、ホモジナイザー。
【請求項２】
前記光散乱膜の微構造に粒界が形成されており、この粒界によって前記光散乱が生ずることを特徴とする、請求項１記載のホモジナイザー。
【請求項３】
前記光散乱膜が透光性セラミックスからなることを特徴とする、請求項２記載のホモジナイザー。
【請求項４】
前記中空台座の外側面に放熱手段を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のホモジナイザー。
【請求項５】
前記中空台座の光導入側に設置されている光透過性被覆部材を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のホモジナイザー。
【請求項６】
前記光透過性被覆部材の光出射面に周期微細構造が形成されていることを特徴とする、請求項５記載のホモジナイザー。
【請求項７】
太陽光を１次集光する１次集光レンズ、
発電素子、および
前記１次集光レンズからの光を均質化して前記発電素子に向かって出射する、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載のホモジナイザー
を備えていることを特徴とする、集光式太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光式太陽光発電装置およびそのホモジナイザーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
集光型太陽電池は、レンズ集光や太陽追尾機構などにより、大面積の日照量を小面積のセルに集約し、発電効率を高めるものである。こうした太陽電池用の二次集光レンズは、太陽光の波長スペクトルに対して内部吸収の少ない高い光学効率や、集光時には光入射面が特に高温となるため、温度耐性も要求されるので、ガラス製の光学レンズによって形成されていることが一般的である（例えば特許文献１：特許第４５５８０７７）。
【０００３】
しかし、光学レンズを利用して集光を行うと、光の広がりにより、集光点でガウシアン型の光強度プロファイルを示す。このため、色収差に伴う太陽電池面内のスペクトルむらによって多接合間の電流バランスが崩れ、太陽電池セルの発電が抑制されてしまう（非特許文献１：K.  Araki et al. Proc. 11th PVSEC Conf
(1999), p915-916）。また、構成材質の温度特性差による光学位置やアライメントのズレなどにより、太陽電池セル中心に存在すべき焦点がずれてしまい、発電効率低下や周辺部材の加熱損傷などの問題が発生する。
【０００４】
これらの問題に対する解決方策として、発電素子に照射する前にホモジナイザーに通すことが知られている。（特許文献2：特許4393562、特許文献3：特開2011-071400、特許文献４：特許4747663）。
【０００５】
ホモジナイザーとは、ガウシアン型になっている光強度プロファイルの入射光を、側面界面での全反射を利用することにより、射出面でトップハット型の光強度プロファイルへ均質化する光学部材のことである。しかし、全反射を繰り返しおこなわせる為にホモジナイザー内の光路長を長く取る必要があり、ホモジナイザーが丈長なアスペクト比となる（特許文献５：特開２００８−２２７４２８）。
【０００６】
太陽電池セルと二次集光レンズは直接、または樹脂材などを介してつながっているため、太陽電池セルの温度が上がらないように集光発電装置筐体や二次集光レンズ固定台などから効率よく排熱を行っている工夫が施されている（特許文献６：特開２０１０−１６５９５５）
【０００７】
一方、中空台座の内部に太陽光を導入し、中空ガラスレンズの内側面を全反射面とし、内側全反射面で光の全反射を繰り返すことで光強度分布を均一化する方法もある特許文献７：特開2010-10672）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K.  Araki et al. Proc. 11th PVSEC Conf(1999), p915-916
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４５５８０７７
【特許文献２】特許4393562
【特許文献３】特開2011-071400
【特許文献４】特許4747663
【特許文献５】特開２００８−２２７４２８
【特許文献６】特開２０１０−１６５９５５
【特許文献７】特開2010-10672
【特許文献８】特許4761698
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のホモジナイザーにおいては、柱状ガラスレンズの側面での全反射を利用しているので、入射光の面内強度分布が均一化するためには、かなりの光路長を確保する必要がある。このため、ホモジナイザー光学系による重量増が課題となっている。特に、ホモジナイザーの光学系を支える支柱・機構に対して働くモーメントが大きくなり、負荷がかかっているため、長期信頼性の劣化を招く可能性がある。
【００１１】
これに加えて、前記モーメントによって、長期的に、集光光学系が光軸に対して僅かでも傾斜すると、光軸のズレが発生する。つまり、ホモジナイザーに対して、１次集光後の光の光軸が傾斜する。光軸のズレによる発電効率の低下を抑えるもののまだ大きいという問題があることがある。従って、これは、前記モーメントの大きさとあいまって、長期使用時に問題となり得る。更に、ホモジナイザーの光入射面で温度上昇が起こりやすく、長期信頼性に問題がある。
【００１２】
特許文献７記載のように、中空台座の内側面での全反射を利用するタイプのホモジナイザーにおいては、柱状レンズからなるホモジナイザーに比べて光入射時の温度上昇が抑制されるので、好ましい。しかし、やはり反射面における全反射でホモジナイズしている以上、同様にかなりの長さの光路長が必要となる。これに加えて、中空台座の中央部には反射面が存在していないので、太陽電池セル直上から垂線方向に来た光はホモジナイズできないため、光強度プロファイルにガウシアン型の偏りが残る。
【００１３】
本発明の課題は、集光型太陽電池の１次集光後の光を均質化するホモジナイザーにおいて、光入射時の温度上昇を抑制し、十分にホモジナイズを行いつつ、集光光学系のモーメントを小さくできるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、１次集光部材で集光した太陽光を発電素子に対して均一に照射するための集光式太陽光発電装置用ホモジナイザーであって、
１次集光部材から出射した光を導入する空間を形成し、空間側に全反射面が設けられている中空台座、および全反射面上に形成された光散乱膜であって、内部での光散乱による光均質化機能を有する光散乱膜を備えており、１次集光部材からの光を均質化して発電素子へと向かって出射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明者は、集光型太陽電池のホモジナイザーにおいて、中空台座の内側面上に光散乱膜を形成し、光の均質化をもたらす光散乱の機能を、中空台座の内側面における全反射だけではなく、光散乱膜内部での散乱によって達成することを想到した。
【００１６】
すなわち、中空台座内側面での全反射では、単位光路長当たりの散乱回数を増やすことができず、このために光を均質化するために多数回の全反射が必要であり、ホモジナイザーが縦長になることを避けることができない。本発明者は、この着想から，中空台座内側面上の光散乱膜内部での散乱によって反射箇所を増やすことにより、短い光路長で十分に光を均質化することを想到した。
【００１７】
本発明では、光散乱膜の内部で散乱効果が起きるため、すみやかな光平準化機能が得られる。この結果、ホモジナイザーの光路長を短くでき、この結果として集光光学系のモーメントを小さくし、長期信頼性を向上させることができる。これに加えて、温度効果などによって光軸のアライメントズレが発生しても、変換効率の低下が少なくなることを見いだし、本発明に到達した。
【００１８】
なお、従来は、球面収差や色収差などを考慮した光路設計が可能なように、ホモジナイザーの材質は透明な必要があると考えられており、光学ガラスが主として用いられている。内部散乱を起こす透光性セラミックスなどの多結晶体は、光路設計が困難となると考えられてきており、しかも特定の作製条件下以外では材料自体の透過性を示さない。従って、ホモジナイザーとして提案されなかったものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る発電装置の模式図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る発電装置の模式図である。
【図３】光透過性被覆部材における光の進行方向の変化を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
最初に、図１、図２を参照しつつ、好適形態のホモジナイザーについて述べる。
支持部材７上に発電素子６が設置されており、発電素子６を包囲するように、筒状の中空台座４が設置されている。本例では、台座４は、光反射部４ｂ、およびその両端部のフランジ部４ａ、４ｃを備えている。フランジ部４ｃは支持部材７に対して固定手段８によって固定されており、フランジ部４ａは光透過性被覆部材２に対して固定手段８によって固定されている。散乱部４ｂの内側面４ｄは全反射面となっており、内側面４ｄ上に光散乱膜５が形成されている。
【００２１】
図２のホモジナイザーは、図１のホモジナイザーと同様のものであるが、台座４の外側面４ｅ上に熱伝導膜９が形成されている。
【００２２】
図１、図２においては、太陽光Ａを１次集光レンズ１の入射面１ａによって受光し、出射面１ｂから矢印Ｂのようにホモジナイザーへと向かって集光される。この光Ｂは、ホモジナイザーの光透過性被覆部材２の入射面２ａに向かって入射し、出射面２ｂから空間３へと向かって出射する。次いで、空間３に入った光は、台座の内側面の光散乱膜５の内部で散乱を受けると共に、台座の内側面４ｄで全反射を繰り返し、最終的に光強度が均質化される。そして、ホモジナイズされた光Ｄが発電素子６に入射し、電気を発生させる。
【００２３】
本発明によれば、ホモジナイザーの厚さ（図１、図２における高さ）が小さくとも効率的に光を均質化させることができ、これによって集光光学系全体のモーメントを小さくできる。また、ホモジナイザーに入射する光の光軸アライメントズレが起こったときにも、発電効率の低下が小さくなる。
【００２４】
太陽光を１次集光する１次集光レンズ１は、集光機能があれば特に限定されず、一枚のレンズからなっていてよく、あるいは複数のレンズからなる光学系であってよい。また、１次集光レンズの材質は、耐候性のある透明な材質が好ましく、光学ガラスや光学単結晶が特に好ましい。
【００２５】
発電素子６の構成は、本発明においては特に限定されるものではなく、公知の光電変換素子を使用できる。
【００２６】
本発明では、１次集光部材と発電素子との間にホモジナイザーを設ける。この際、１次集光部材とホモジナイザーとの間に隙間を設けることが好ましいが、隙間を設けることは必須ではない。また、これらの隙間は、大気であってよいが、耐候性の観点からは、樹脂等の透明材料で充填されていることが好ましい。
【００２７】
光の均質化機能とは、いわゆるホモジナイズ機能のことであり、レンズから出射する光の空間的な光強度分布を入射時に比べて平滑化することを意味している。すなわち、レンズ入射時の光の強度分布はガウシアン分布である。これをホモジナイザーに入射させ、内部で多数回光屈折・散乱させることによって、出射時の光の強度分布がトップハット型に変化する。このように、光強度分布がガウシアン分布である入射光を、トップハット型の光強度分布に変換する機能を光均質化機能と呼ぶ。
【００２８】
透光性セラミックス例として透光性アルミナレンズの場合、例えば96％（厚さ0.75ｍｍ）となっており、光学部品に用いられるＢＫ7（棚珪酸ガラス）：92％（厚さ10mm）と比較して、光内部吸収としては同等以下である（波長範囲は360〜3000nm）。また、透光性セラミックスは、ナトリウムハライドランプの管材に用いられているように、高温多湿環境でも特性劣化しにくい特徴をもつ。こうした特性は、これまで集光型太陽電池の研究者から見逃されてきたものである。
【００２９】
光散乱膜が透光性セラミックスレンズからなる場合には、レンズの作製法は限定されないが、粒径の偏りをなくしつつ、緻密化をはかる必要があるため、ゲルキャスト法にて作製することが特に望ましい（特開2007-161496参照）。好適な実施形態においては、セラミック粉末、分散媒およびゲル化剤を含むスラリーを注型し、このスラリーをゲル化させることによって成形体を得、この成形体を焼結させる
【００３０】
ゲルキャスト法は、以下の方法が特に好ましい。
（１）  無機物粉体とともに、ゲル化剤となるポリビニルアルコール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のプレポリマーを、分散剤と共に分散媒中に分散してスラリーを調製し、注型後、架橋剤により三次元的に架橋してゲル化させることにより、スラリーを固化させる。
（２）  反応性官能基を有する有機分散媒とゲル化剤とを化学結合させることにより、スラリーを固化させる。この方法は、特許文献９に記載されている方法である。
【００３１】
光の直線透過を妨げ、散乱を強化するという意味で、成型前のセラミックス粉末の平均粒径は25μm以上が望ましく、平均粒径50μm以上が特に望ましい。Reyleigh散乱とMie散乱の混合散乱を利用して散乱効果を強化するためである（直線透過率と粒径の関係は、「資源と素材_vol115_p471」参照）。
【００３２】
透光性セラミックスの種類は特に限定されず、アルミナ、窒化アルミニウム、イットリア、ＹＡＧ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ３、石英を例示できる。300nmから3000nm付近まで特定の吸収スペクトルを持たない透光性アルミナが特に好ましい。
【００３３】
また、透光性セラミックスの原料粉末中の不純物は、太陽光を吸収する効果をもつため、この観点からは、純度９９．９％以上（好ましくは９９．９５％以上）の高純度セラミック粉末を用いる。例えば高純度アルミナ粉末としては、大明化学工業株式会社製の高純度アルミナ粉体を例示できる。
【００３４】
透光性セラミックスの焼結助剤は、酸化マグネシウムが好ましいが、ZrO2, Y2O3,La2O3,Sc2O3も例示できる。これらの焼結助剤をセラミックス粉末に対して150〜1000ppm添加するのが望ましい。
【００３５】
ホモジナイザーの可視光域の全光線透過率は、発電効率の観点から９０％以上が好ましい。
【００３６】
光散乱膜を構成する透光性セラミックスの結晶粒径は特に限定されないが、光散乱の観点からは、2.0μｍ以上とすることが好ましく、2.5μｍ以上とすることが更に好ましい。また、透過率の観点からこのセラミックスの結晶粒径は、500μｍ以下とすることが好ましく、100μｍ以下とすることが更に好ましい。
なお、ここでいう平均粒子径とはＳＥＭ写真(倍率：Ｘ３００００。任意の２視野)上における２次凝集粒子を除く１次粒子の（最長軸長＋最短軸長）／２の値のｎ＝５００平均値のことである。
【００３７】
光散乱膜の作製法は限定されない。溶射法、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、湿式法、ゾルゲル法、金属アルミニウムの陽極酸化法等があげられる。また、光散乱膜の厚さは、光の十分な散乱という観点からは、15μｍ以上が好ましく、50μｍ以上が更に好ましい。また、光の吸収を抑制するという観点からは、2.5mm以下が好ましく、1.5mm以下が更に好ましい。
【００３８】
集光光学系のモーメントを小さくし、また光軸アライメントズレに起因する発光効率低下を抑制するという観点からは、ホモジナイザーの高さは25mm以下が好ましく、20mm以下が更に好ましい。また、光を十分に均質化するという観点からは、ホモジナイザーの高さは、5ｍｍ以上が好ましく、10ｍｍ以上が更に好ましい。
【００３９】
中空台座４の形状は、空間を形成できれば特に限定されず、発電素子の形状に合わせることができる。
【００４０】
ホモジナイザーの支持部材７の材質は限定されず、金属製、セラミックス製、樹脂性を問わない。放熱性の面から、アルミニウムなど熱伝導率の高い物質が好ましい。
【００４１】
入出面以外からの光の射出を防ぐために、中空台座の内側面は全反射面とする。これは、中空台座の全体を反射材料によって形成してもよく、あるいは、台座の内側に反射膜を形成することもできる。こうした中空台座や反射膜の材料例としては、金属が好ましく、Ａｌ単体、Ａｇ単体、Ａｌ単体にＭｇＦやＳｉＯ２を加えたＡｌ合金、ＮｄやＣｕを加えたＡｇ合金を例示できる。Ａｇ系は特開2010−010672に記載されており、Ａｌ系はＷＯ2009/080354に例示されている。台座内面は反射面であるため、散乱層を設ける前は鏡面状態であることが望ましい。
【００４２】
好適な実施形態においては、光透過性被覆部材２を設けることにより密閉し、湿気の混入を防止する。光透過性被覆部材の材質は透光性を有す限り限定されない。棚珪酸塩ガラスや石英などが上げられる。中でも、300nm〜3000nm辺りまで特定の吸収を持たず、光配分が速やかに行われる目的で高屈折率材である棚珪酸塩ガラスが特に望ましい。
【００４３】
また、光の散乱方向を散らす為に、光透過性被覆部材２の射出面２ｂ側に微細構造２ｃを形成することが好ましい。微細構造は円錐突起、擦りガラス状、モスアイ構造などが例として挙げられる。図３に示すように、入射した光Ｂが、出射するときに、矢印Ｃのように垂直方向から傾斜した方向へと出射する。この結果、直接太陽電池セル方向から速やかに散乱面に光配分されるため、短光路長化が可能になる。微細構造２ｃは光透過性被覆部材２の入射面もしくは入射面及び射出面２ｂの両方に備えてもかまわない。
【００４４】
空間３には、発電素子６を湿気から保護するために樹脂等の透明材料を充填することが好ましい。
【００４５】
好適な実施形態においては、ホモジナイザーに放熱手段を設ける。こうした放熱手段としては、伝熱性の高い部材を備え付けて架台側に伝熱する、ヒートシンクやフィンなどを設けて空冷面積を増やす、冷材媒体などを利用した熱交換などを例示できる。
【００４６】
特に好ましくは、図２に示すように、レンズ４の外側面上に熱伝導膜９を形成する。熱伝導膜９は、熱伝導性の高い材質からなる膜であれば特に限定されない。こうした材質としては、Ｃｕ，Ａｌなどの金属・合金や、アルミナや窒化珪素や窒化アルミニウムなどのセラミックス体などを例示できる。
【実施例】
【００４７】
（実施例１）
アルミニウム合金を用いて、入射光面φ２１mm、射出光面φ９mm、高さ１５ｍｍの中空逆円錘形状台座４を作製した。中空逆円錘形状台座４の内側面４ｄにバフ研磨を施し、鏡面仕上げとした。蒸着装置にて、純度９９．９９９％以上の高純度アルミナ原料を用い、150μｍの透光性アルミナ層５を中空逆円錐形状台座の内面に形成した。
【００４８】
また、これと同じ成膜条件にてアルミナ層を厚さ500μmの棚珪酸塩ガラス（ＢＫ７（透過率：92％、厚さ10mm））板上に成膜し、波長３６０〜３０００ｎｍにおける透光性アルミナ層単独の透過率測定を行ったところ、全光線透過率は平均９８％とアルミナ層内でほぼ吸収されていなかった。また、波長１６００ｎｍの光を用いてヘイズ（散乱光率）を測定したところ、約３％の光散乱性を有していた。
【００４９】
次に、光射出面２ｂ側のみに３５０nm幅の円錐突起形状２ｃを周期的に並ぶような表面形状に加工した厚さ1ｍｍの棚珪酸塩ガラス板２を用意し、中空円錐形状台座４の入射光面に取り付け、ホモジナイザーを得た。
【００５０】
得られたホモジナイザーを用いて、波長３６０〜３０００ｎｍにおける前方透過率および光強度分布を測定したところ、前方透過率は９３％とほぼ吸収されていなかった。また、光強度分布は中央φ６mmの領域内では光強度比が88〜100％程度まで平準化され、トップハット状に改善されていた。
【００５１】
（比較例１）
棚珪酸塩ガラス（ＢＫ７）で入射光面φ１５mm、射出光面φ９mm、高さ３０ｍｍの逆円錘形状のガラスレンズ（従来のホモジナイザー）を作製した。
得られたガラスレンズに対して波長３６０〜３０００ｎｍの透過率測定及び面内の光度分布測定を行った。前方透過率は９２％とガラス内であり、ほぼ吸収されていなかった。また、光強度分布は中央φ６mmの領域内では光強度比が90〜100％程度まで平準化され、トップハット状であり、一様に改善されていた。
【００５２】
（比較例２）
棚珪酸塩ガラス（ＢＫ７）でφ３０ｍｍの円柱に入射光面φ２１mm、射出光面φ９mm、高さ３０ｍｍの逆円錘形状の刳り貫きを設け、内面に反射膜を設けた光学部材を作製した。また、入射光部からの塵・水の混入を防ぐ為に、厚さ１ｍｍの棚珪酸塩ガラス板によるカバーを設けた。ガラス板は両面研磨されているものを用いた。
【００５３】
得られたガラスレンズに対して波長３６０〜３０００ｎｍの透過率測定及び面内の光度分布測定を行った。前方透過率は９４％であり、ホモジナイザー内でほぼ吸収されていなかった。しかし、レンズ中央近傍の光が散乱されずに直接太陽電池に向かうため、光強度分布は改善されているが、ガウシアン形状が残り、中央φ６mmの領域内では光強度比が65〜100％程度内となっていた。
【００５４】
（比較例３）
比較例２と同じホモジナイザーを作製した。ただし、ホモジナイザーの高さは１５ｍｍと短くした。
【００５５】
得られたガラスレンズに対して波長３６０〜３０００ｎｍの透過率測定及び面内の光度分布測定を行った。前方透過率は９７％であり、ホモジナイザー内でほぼ吸収されていなかった。しかし、レンズ中央近傍の光が散乱されずに直接太陽電池に向かうことに加え、光平準化に対して光学距離が不十分であるため、中央にガウシアン形状が残り、中央φ６mmの領域内では光強度比が40〜100％となり、光の強度分布が均一化されていなかった。
【００５６】
（モーメント）
各レンズの長さ方向寸法に合わせて、発電素子の光学位置を調整する必要が生じるため、実施例及び比較例の各光学系にあわせて、発電素子を最適位置へ配置した。レンズと発電素子の位置を最適化することにより、０〜１５％程度分、１次集光レンズと筐体間距離が変化する。比較例１の１セル辺りの光学システムの重量を１．０００として比較したところ、表１のとおりであった。したがって、実施例１では、二次レンズの低背化により、追尾装置である支柱にかかるモーメントを小さくできるため、長期信頼性向上につながる。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
（入射部分の温度）
次に、光学システムを高輝度キセノンランプ光にて１時間照射した。次いで、比較例１では、柱状レンズからなるホモジナイザーの光入射面近傍温度を測定した。実施例及び比較例２、３では、光透過性被覆部材２ではなく、中空逆円錐形状台座４の上部で測定した。比較例１のホモジナイザー入射光面の温度を１．０００として比較したところ、表２のとおりとなった。本発明実施例では、温度上昇が抑えられるため、光学素子の劣化防止が期待される。
【００５９】
【表２】
2013187288.tif 000004
【図１】
2013187288.tif 000005
【図２】
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【図３】
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