(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、ホモジナイザー光学系のモーメントを小さくし、かつ１次集光後の光の光軸のズレによる発電効率の低下を抑制することである。【解決手段】１次集光部材１で集光した太陽光を発電素子４に対して均一に照射するための集光式太陽光発電用ホモジナイザー２を提供する。ホモジナイザー２は、１次集光部材１と発電素子４との間に設けられた光学素子からなり、光学素子が、光学素子内部での光散乱による光均質化機能を備えており、光学素子が、１次集光部材１からの光Ｂの入射面２ａおよび均質化後の光Ｃを発電素子４へと向かって出射する出射面２ｂを有する。【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次集光部材と前記発電素子との間に設けられた光学素子からなり、前記光学素子が、前記光学素子内部での光散乱による光均質化機能を備えており、前記光学素子が、前記１次集光部材からの光の入射面および均質化後の光を前記発電素子へと向かって出射する出射面を有することを特徴とする、ホモジナイザー。
【請求項２】
前記光学素子を構成する材料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】
前記材料が透光性セラミックスであ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】
前記光学素子の前記入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】
前記周期微細構造がモスアイ構造であることを特徴とする、請求項４記載のホモジナイザー。
【請求項６】
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１〜５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。
【請求項７】
前記ホモジナイザーの側面が全反射面を構成していることを特徴とする、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記ホモジナイザーの前記側面に反射膜が形成されていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
【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、特許文献６：特開2010−10672、特許文献７：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８：特開２０１０−１６５９５５）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K.  Araki et al. Proc. 11th PVSEC Conf(1999), p915-916
【特許文献】
【０００８】
【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2010−10672
【特許文献７】特開２００８−２２７４２８
【特許文献８】特開２０１０−１６５９５５
【特許文献９】特許4761698
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の太陽電池用ホモジナイザーは、化学的耐久性および光を有効利用するために、細長いガラス材によって形成されており、またガラス材の側面界面での全反射を利用している。このため、入射光の面内分布が均一化するまで光路長を長くする必要がある。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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、集光光学系のモーメントを小さくし、かつ１次集光後の光の光軸のズレによる発電効率の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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用ホモジナイザーであって、
１次集光部材と発電素子との間に設けられた光学素子からなり、光学素子が、光学素子内部での光散乱による光均質化機能を備えており、光学素子が、１次集光部材からの光の入射面および均質化後の光を発電素子へと向かって出射する出射面を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明者は、集光型太陽電池のホモジナイザーにおいて、光の均質化をもたらす光散乱の機能を、光学素子側面における全反射ではなく、粒界散乱などの光学素子内部での散乱によって達成することを想到した。
【００１４】
すなわち、光学素子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側面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，光学素子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。
【００１５】
本発明では、光学素子全体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。
【００１６】
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、集光レンズすら検討されておらず、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】
【００１７】
【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】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ホモジナイザーを示す断面図である。
【図３】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４】ホモジナイザーの微構造組織を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
例えば図１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２へと向かって集光される。この光Ｂは、ホモジナイザーの入射面２ａに向かって入射し、内部で散乱を受けて均質化し、出射面２ｂから矢印Ｃのように出射する。この光Ｃが発電素子４に入射し、電気を発生させる。
【００１９】
本例では、支持部材５に台座３が固定されており、台座３の内側に発電素子４が設置されている。また、台座３にホモジナイザー２が固定されており、ホモジナイザーと発電素子との間に隙間６が設けられている。隙間６には、樹脂等の透明材料を充填することが好ましい。
【００２０】
本発明によれば、ホモジナイザー２の厚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。
【００２１】
太陽光を１次集光する１次集光レンズは、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、光学ガラスや光学樹脂レンズが特に好ましい。
【００２２】
発電素子の構成は、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。
【００２３】
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、ホモジナイザーと発電素子との間には、それぞれ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。
【００２４】
本発明においては、光学素子内部での光散乱による光均質化機能を備えている。ここで、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、光学素子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、光学素子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。
【００２５】
ホモジナイザーの透過率は、透光性セラミックス例として透光性アルミナ光学素子の場合、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。
【００２６】
ホモジナイザーが透光性セラミックス光学素子からなる場合には、光学素子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
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
ホモジナイザー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、光電変換使用波長の観点からは、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。
【００３４】
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電効率低下を抑制するという観点からは、ホモジナイザーの側部の厚さは5.0mm以下が好ましく、3.0mm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、ホモジナイザーの厚さは、0.3ｍｍ以上が好ましく、1.0ｍｍ以上が更に好ましい。
【００３５】
ホモジナイザーの形状は特に限定されず、発電素子の形状に合わせることができる。ホモジナイザーの平面的形態は、例えば、真円、楕円、四角などの多角形であってよい。
【００３６】
また、ホモジナイザー２の横断面形状においては（例えば図２（ａ）、（ｂ）参照）、入射面２ａ、出射面２ｂの一方または双方が凸型であることが好ましい。ガウシアン型の光強度プロファイルの光が入射することから、凸型レンズとすることによって、レンズ中央から端部方向へ光を散乱していくことができる。この場合、レンズを横断面で切ってみたときの入射面２ａ、出射面２ｂの凸部形状の曲率半径Ｒは、8ｍｍ〜100ｍｍが好ましい。しかし、光学素子の表面が凸部をなしている必要はなく、凹部をなしていてもよく、また平坦であってもよい。つまり、光学素子は、凹レンズ形状であってもよく、あるいは平板であってもよい。
【００３７】
また、ホモジナイザーと１次集光レンズとの間、ホモジナイザーと発電素子との間に、光電変換波長以外を対象とした光フィルタを設けることができる。光学素子本体はセル形状と異なるものの、光入射面や光出射面の形状がセル形状に合うのでもかまわない。
【００３８】
また、ホモジナイザーと１次集光レンズとの間、ホモジナイザーと発電素子との間に、側面全反射によって光を散乱させる他の従来のホモジナイザーを設置することができる。すなわち、光の全反射によって光を均質化する他のホモジナイザーを更に備えていることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一つの請求項に記載の装置を新たな発明とすることができる。この場合にも、全体を従来のホモジナイザーによって構成する場合に比べて、集光光学系全体の低背化は可能である。この場合、側面全反射によって光を散乱させる他の従来のホモジナイザーは、本発明のホモジナイザーと発電素子との間に設けることが特に好ましい。
【００３９】
例えば、図３の例では、本発明のホモジナイザー２の下に、透明の柱状ガラスからなる他のホモジナイザー１０が設けられている。ホモジナイザー１０は、支持台１によって台座上に固定されており、ホモジナイザー１０の下に光電変換素子４が設置されている。本例では、透明レンズからなるホモジナイザー１０上に、本発明のホモジナイザー２を直接設置し、一体化している。ただし、ホモジナイザー２と１０との間に隙間を設けることもできる。本例においても、従来のホモジナイザー１０単独の場合に比べて、集光装置全体の高さを小さくしつつ、同じ光均質化機能を達成することができる点で利点がある。またこの場合、ホモジナイザー２のみで光均質化機能を達成する必要がなくなる為、入射光の方向を変えることにより、ホモジナイザー１０の側部全反射面へ速やかに到達できる機能を持つ厚さまで薄くしても構わない。従って、本実施形態のホモジナイザー２の厚さは０．４μｍ以上であればよい。構造上の強度を確保するためには、ホモジナイザー２に透光性の支持部材（ガラスなど）を張り合せてもよい。
【００４０】
本発明のホモジナイザーと発電素子との間には、発電素子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。また、ホモジナイザーと発電素子との間隔は、近接していることが望ましく、ホモジナイザーと素子との間で光漏れしない程度であれば良く、好ましくは35ｍｍ以下である。
【００４１】
ホモジナイザーの固定台座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。
ホモジナイザーの入出面以外からの光の射出を防ぐために、側面２ｃ上に全反射面を形成することができる。全反射面は、ホモジナイザー２の側面上に形成された反射膜７によって与えられていて良い。あるいは、ホモジナイザーを保持する台座等の外部部材のホモジナイザーに対する接触部分が、反射材料によって形成されていてよい。
【００４２】
こうした反射材料としては、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。
【００４３】
また、ホモジナイザーの入射面における表面反射を防ぐ為に、入射面に微細な構造細工を施すと、なお良い。例えば、モスアイ構造や周期的配列を伴った錘状構造などを施すことなどがあげられる。
【実施例】
【００４４】
（実施例１）
純度９９．９９％以上の高純度アルミナ粉末（平均粒径1.0μｍ）を用い、ゲルキャスト法によってセラミックスレンズを成形した。
すなわち、原料粉末としてアルミナ粉末１００重量部、及びマグネシア０．０２５重量部、分散媒として多塩基酸エステル３０重量部、ゲル化剤として、MDI樹脂４重量部、分散剤としてマリアリムAKM0351（商品名、日本油脂株式会社製）２重量部及び触媒としてトリエチルアミン０．２重量部を混合したものを用いた。このスラリーをアルミニウム合金製の型に室温で注型後、室温で１時間放置し、固化してから離型した。さらに、室温、次いで９０℃のそれぞれの温度にて2時間放置して、粉末成形体を得た。次いで、脱脂を行った後、１００％Ｄｒｙ水素中にて、嵩密度が９９．８％となるような最高温度条件で焼結した（平均粒径1.5μｍ）。焼結後、大気中にてアニールし、セラミックスレンズを作製した。
【００４５】
得られたセラミックスレンズを一辺10mmの正方形状に成形した後、中心厚さ１．５ｍｍ、端部厚さ１．０mmになるように加工及び研磨を行った。その後、セラミックスレンズ２の側面に、Ａｌ＋ＭｇＦにて厚さ１００μｍの金属コート７を施し、ホモジナイザーとした。出来上がったホモジナイザーを顕微鏡観察し、図４のように緻密な構造となっていることを確認した。
【００４６】
得られたホモジナイザーに対して、波長３６０〜３０００ｎｍの透過率測定を行ったところ、全光線透過率は８８％であり、セラミックス内でほぼ吸収されていなかった。また、透過率測定に使用した波長帯中央付近となる波長１６００ｎｍの光を用いて散乱光率を測定したところ、約７５％の光散乱性を有していた。
次に太陽電池素子の最適位置にて面内の光度分布測定を行ったところ、光強度分布は改善され、中央部φ6ｍｍの領域内では最大光強度に対する光強度比が70％以上になるまで平準化していた。
【００４７】
（比較例１）
棚珪酸塩ガラス（ＢＫ７）によって、入射光面φ１５mm、射出光面φ９mm、高さ３０ｍｍの逆円錘形状のレンズを作製した。得られたレンズに対して波長３６０〜３０００ｎｍの透過率測定及び太陽電池素子の最適位置の面内光度分布測定を行ったところ、全光線透過率は９２％とガラス内でほぼ吸収されていなかった。光強度分布は改善され、中央部φ6ｍｍの領域内では最大光強度に対する光強度比が60％以上になるまで平準化していた。
【００４８】
（比較例２）
棚珪酸塩ガラスによって、φ２０ｍｍ、高さ１．５ｍｍの平板レンズを作製した。得られた平板状レンズに対して波長３６０〜３０００ｎｍの透過率測定及び太陽電池素子の最適位置の面内光強度分布測定を行った。全光線透過率は９５％であり、ガラス内でほぼ吸収されていなかった。しかし、中央部φ6ｍｍの領域内で光度分布は均一になっておらず、ガウス分布の光強度分布を保っていた。
【００４９】
（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１、２の各レンズにあわせて、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１．０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。
【００５０】
【表１】
2013214030.tif 000003
【００５１】
（変換効率およびアライメントズレの影響）
実施例１および比較例１、２の各レンズを用いて、集光型太陽光発電の変換効率の違いを比較した。レンズを用いた集光型太陽光発電は入射光の傾き（光学ズレ）によって変換効率が低下する。入射光面の垂線を基準にして、入射光の傾きが０．０°となるときの比較例１の発電効率を１．００としたときに、傾き０．０°、１．０°の２水準に対して、発電効率は表２のとおりとなった。
【００５２】
【表２】
2013214030.tif 000004
【００５３】
実施例１では、高さが極めて小さいのにもかかわらず、光度分布が十分に平準化され、変換効率が高い上、光軸のアライメントズレが起こっても変換効率の低下が小さい。
【００５４】
比較例１では、ガラス界面を利用した全反射を利用しているため、変換効率は高いが、光軸のアライメントズレが起こったときの低下が実施例１よりも大きい。
【００５５】
比較例２では、光度分布が均質化されていないために、変換効率が実施例１、比較例１に比べて低い。その上、光軸のアライメントズレが起こったときの低下が実施例１に比べて顕著である。
【図１】
2013214030.tif 000005
【図２】
2013214030.tif 000006
【図３】
2013214030.tif 000007
【図４】
2013214030.tif 000008