(57)【要約】【課題】従来の太陽光発電装置は集光部と光−電気変換部が一体化されているか、もしくはレンズや反射鏡の集光装置を用いた構成をとっている為に大型、かつ配置の際の自由度がなく、固定的な装置としてしか用いられなかった。【解決手段】太陽光発電装置を集光装置と光−電気変換装置とに分割し、集光装置を屈折率の異なる積層のプラスチック等でできた可撓性のもので構成した。この結果、設置や撤去や移動が容易となり適用できる範囲が広がった。また、プラスチック等からなる集光装置を用いて、機能を限定した為、損傷に対しての信頼性が高まるとともに、製造コストが低減した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層したことからなる集光装置と、
光−電気変換装置と、からなり、
前記集光装置によって集められた光が、前記光−電気変換装置に入光する構成を特徴とする集光シート太陽光発電装置。
【請求項２】
前記集光装置は光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層するとともに、前記積層した中心部を占める材質の光学的屈折率は周辺部を占める材質の光学的屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の集光シート太陽光発電装置。
【請求項３】
前記集光装置は光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層するとともに、前記積層した周辺部を占める材質の最外部は最内部とは異なる形状、もしくは材質に加工されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光シート太陽光発電装置。
【請求項４】
前記集光装置の中心部を占める材質の光学的屈折率は集光装置の内部で占める位置によって、少なくとも二箇所以上で異なり、前記光−電気変換装置に近い位置を占める材質の光学的屈折率が大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の集光シート太陽光発電装置。
【請求項５】
前記集光装置の中心部を占める材質が蛍光物質もしくは燐光物質を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の集光シート太陽光発電装置。
【請求項６】
前記集光装置は可撓性があり、かつシート状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の集光シート太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光を電気に変換する太陽光発電装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化が懸念されるなかで、地球環境に配慮したエネルギー源が求められている。そのひとつとして太陽光発電があり、実際の使用や設置により適した装置が求められている。
【０００３】
従来の太陽光発電装置の多くは集光装置部分と、光−電気変換装置部分が一体化していた。例えば図９に示すように半導体であるシリコンにボロン（Ｂ）からなる不純物原子をドープしたＰ型拡散層９１１と、シリコンにリン（Ｐ）からなる不純物原子をドープしたＮ型拡散層９１２とを隣接させ、Ｐ型拡散層９１１とＮ型拡散層９１２との間に空乏層を形成し、金属配線９１３と金属配線９１４をそれぞれ前記Ｐ型拡散層９１１と前記Ｎ型拡散層９１２に接続した構造をとり、ＰＮ接合ダイオードからなる太陽光発電素子を形成している。そして太陽光がＰ型拡散層９１１と前記Ｎ型拡散層９１２を横切ると前記空乏層に正負の電荷が発生することにより電気エネルギーを前記金属配線９１３と金属配線９１４から取り出す構成をなっている。なお、実際には製造のしやすさの為に、図１０のように構成して、金属配線１０１４も金属配線１０１３と同一の製造工程で形成するようにしている。そして、図１０に示した構造の太陽光発電素子のセルを図１１に示す太陽光発電素子第１群１１２１、及び太陽光発電素子第２群１１２２のように行列状に多数個をならべて、光−電気変換装置１１２３として所望の電圧と電流容量を確保する構造が基本的であり、かつ一般的な装置の構成をとっている。なお、特許文献１は図１０、および図１１からなる太陽光発電装置を示している。
【０００４】
また、太陽光発電装置は必ずしもシリコンを必要としない。酸化還元触媒層からなる光触媒層を用いて光−電気変換を行う色素増感型太陽電池もある。なお、特許文献２は色素増感型太陽電池セルとモジュールについて示したものである。
【０００５】
また、光−電気変換の効率を高めるために集光装置としてレンズを用いたものがある。図１２はその原理を示しており、凸レンズ１２３１で集光し、その集めた光を光−電気変換装置１２３２に入れることにより光−電気変換装置の変換素子のセル数を節約する方法である。特許文献３がその例である。
【０００６】
また、光−電気変換の効率を高めるために集光装置としてレンズを用い、かつレンズの形状を小型化するためにフレネルレンズを用いたものがある。特許文献４がその例である。
【０００７】
また、光−電気変換の効率を高めるために集光装置の表面部分の構造に工夫を加えたものがある。特許文献５がその例である。
【０００８】
また、光−電気変換の効率を高めるために集光装置の構造に工夫を加えた別の形状がある。特許文献６がその例である。
【０００９】
また、光−電気変換の効率を高めるために集光装置として凹面反射鏡を用いたものがある。図１３はその原理を示しており、凹面鏡１３４１で集光し、その集めた光を光−電気変換装置１３４２に入れることにより光−電気変換装置の変換素子のセル数を節約する方法である。特許文献７がその例である。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５３−５９８５号公報
【特許文献２】特開２００４−７９３３３号公報
【特許文献３】特開平７−３３５００４号公報
【特許文献４】特開平７−９２３０９号公報
【特許文献５】特開平７−１９０５００号公報
【特許文献６】特開２０００−１４７２６２号公報
【特許文献７】特開２００２−１５４４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の太陽光発電装置では以下に述べる問題点を有していた。図９から図１１で示した太陽光発電素子からなるセルを行列状に多数並べた方式である特許文献１の方法や、太陽光発電素子のセル構造は異なっていても全体の装置としては似た構造の特許文献２の方法では、太陽光発電素子のセル数を多く必要とすることによる製造コストの増加がある。また、太陽光発電素子のセルを行列状に広く配置をする必要があるので固定化された太陽光発電装置が広い面積を占有し、配置上、設置上の制約があり、かつ運搬の自由度が少なくなるために、用途が限られるという課題があった。また、一部の太陽光発電素子からなるセルが損傷すると、一部の損傷にもかかわらず太陽光発電装置自体が故障してしまうという危険性が高い課題があった。
【００１２】
また、特許文献３、４、５、６、７のようにレンズや反射鏡等を用いて集光効率をあげる方式は、太陽光発電素子のセル数を節約し、製造コストの低減やシリコン等の資源の節約には効果があるものの、固定化された装置であるので、配置上の制約や、運搬の自由度が少なく用途が限られるという課題があった。
【００１３】
そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、太陽光発電素子のセルを少なくして、製造コストの低減やシリコン等の資源消費を少なくするとともに、太陽光を集光する装置を独立させて、低コストかつ可撓性のある素材で構成することにより、設置や撤去、そして運搬が容易で、かつ信頼性の高い太陽光発電装置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】
【００１４】
上記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、各発明は以下のように構成した。
【００１５】
すなわち第１の発明は、光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層したことからなる集光装置と、光−電気変換装置と、を設け、前記集光装置によって集められた光が前記光−電気変換装置に入光する構成としたものである。
【００１６】
第２の発明は第１の発明の集光装置が光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層するとともに、前記積層した中心部を占める材質の光学的屈折率は周辺部を占める材質の光学的屈折率よりも大きくした構造をとったものである。
【００１７】
第３の発明は第１または第２の発明の集光装置が光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層するとともに、前記積層した周辺部を占める材質の最外部は最内部とは異なる形状、もしくは材質に加工した構造をとったものである。
【００１８】
第４の発明は第１、第２または第３の発明において、前記集光装置の中心部を占める材質の光学的屈折率が集光装置の内部で占める位置によって、少なくとも２箇所以上で異なり、前記光−電気変換装置に近い位置を占める材質の光学的屈折率が大きい構造をとったものである。
【００１９】
第５の発明は第１、第２、第３または第４の発明において、前記集光装置の中心部を占める材質が蛍光物質もしくは燐光物質を含む構造をとったものである。
【００２０】
第６の発明は第１、第２、第３、第４または第５の発明において、前記集光装置は可撓性があり、かつシート（敷布）状の構造をとったものである。
【００２１】
以上のように上記の構成からなる本発明によれば、光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層したことからなる集光装置によって、太陽光を集光し、その集めた光を光−電気変換装置に入光させる構成をとっているので、光−電気変換装置が一箇所に集約できて、製造コストの低下、資源の節約、装置が小型化するという効果がある。
【００２２】
また、集光装置と光−電気変換装置の配置関係において、独立性が高くなり、様々な配置がとれ設置上の自由度が高くなり、かつ運搬が容易になるという効果がある。
【００２３】
また、前記集光装置が光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層するとともに、前記積層した中心部を占める材質の光学的屈折率が周辺部を占める材質の光学的屈折率よりも大きくした構造をとっているので、一度、集光装置に入った光は外部に戻らずに光−電気変換装置に効率よく到達するという効果がある。
【００２４】
また、前記集光装置が前述した構造をとっているので一部が破損して、光が一部、洩れたとしても、集光効率が若干、低下するものの全体としての機能は支障をきたすことなく果たす。したがって信頼性が高いという効果がある。
【００２５】
また、前記集光装置が光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層するとともに、前記積層した周辺部を占める材質の最外部は最内部と異なる形状、もしくは材質に加工されているので、周辺部の材質の光学的屈折率が空気の光学的屈折率より大きくとも集光装置に入光しやすくなり集光効率を高めるという効果がある。
【００２６】
また、前記集光装置の中心部を占める材質の光学的屈折率が集光装置の内部で占める位置によって、少なくとも２箇所以上で異なり、前記光−電気変換装置に近い位置を占める材質の光学的屈折率が小さい構造をとっているので、集光装置に入った光は速やかに光−電気変換装置に誘導され、再度、外部に漏れ出すことが少なく、集光装置としての集光効率がより高くなるという効果がある。
【００２７】
また、前記集光装置の中心部を占める材質が蛍光物質もしくは燐光物質を含むことにより、集光装置の中心部に入った光は再び集光装置の外部に漏れ出す可能性が低くなり、集光装置としての集光効率がより高くなるという効果がある。
【００２８】
また、前記集光装置は可撓性があり、かつシート状の構造をとっているので、折り畳みが容易であり、設置、配置、撤去、移動が容易であるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は本発明の集光シート太陽光発電装置の実施形態例を示す構成図である。図１において、集光装置１１は光学的屈折率の異なる複数層の材質を積層した構造からなり、表面に太陽光が注がれると、その一部を内部に取り込み、集光装置１１と光学的に接続された光−電気変換装置１２に更にその一部を誘導し、光−電気変換装置１２において光が電気に変換される。したがって、集光装置１１と光−電気変換装置１２によって太陽光発電装置が構成されている。
【００３１】
なお、光−電気変換装置１１の基本構成は前述した図１０と図１１で示したＰ型シリコンとＮ型シリコンで形成されるシリコン系の太陽電池でもよいし、また前述した色素増感型太陽電池でもよい。異なるのは小型の光−電気変換装置ですむことである。集光装置１１のより詳しい構造については図２を参照して述べる。
【００３２】
図２は図１で示した集光装置１１の断面構造を示したものである。図２において、集光装置は光を透過するプラスチック素材を積層した構造となっている。プラスチック２３は光の屈折率Ｎ２３、プラスチック２４は屈折率Ｎ２４、プラスチック２５は屈折率Ｎ２５を持っていて、プラスチック２５をプラスチック２３とプラスチック２４とで挟む構造をとっている。プラスチック２３とプラスチック２４のそれぞれの屈折率Ｎ２３、Ｎ２４はプラスチック２５の屈折率Ｎ２５より大きい素材を用いている。したがって、太陽光がプラスチック２３を通してプラスチック２４に達するとプラスチック２５で多くの光は反射され、このプラスチック２５で反射された光はプラスチック２３で多くは反射される。以降はプラスチック２５のなかをプラスチック２３とプラスチック２４の境界面で反射を繰り返すことになる。この現象は光ファィバーのなかの現象と類似したものである。また、プラスチック２５のなかをプラスチック２３とプラスチック２４の境界面で反射を繰り返した光はやがて、図１の光−電気変換装置１２に達し、電気に変換される。
【００３３】
なお、太陽光がプラスチック２３に達したとき、空気の光の屈折率はプラスチック２３の屈折率より小さいので、多くは反射されてしまい、プラスチック２３の内部には僅かにしか入らない状況も生ずることがあるが、このような損失は従来の太陽光発電装置でも生ずる一般的なことである。すべての太陽光を利用することはできないが、何割かは電気に変換することが可能である。
【００３４】
図３は図２の集光効率を高める為に集光装置を改良した断面図である。図３においてはプラスチック２３を加工して最外部にプラスチック加工部３３を設けている。図２の集光装置の構造ではプラスチック２３とプラスチック２４の間で反射を繰り返しながら、プラスチック２５を光が伝達しやすい条件と、太陽光が大気中からプラスチック２３に入光しやすい条件が両立しない場合が多く起きて、集光効率の低下が生ずることがある。したがって、プラスチック２３の大気中にふれる部分を散乱が大きく入った光が伝達しやすい条件の成分が増加するように加工したものが最外部のプラスチック加工部３３である。プラスチック加工部３３を設けたことにより、この部分においての入射効率が低下することもあるが、プラスチック２３と２４に挟まれたプラスチック２５を繰り返して反射し伝達する成分を考慮すると総合的に集光装置としての集光効率が高まる。
【００３５】
図４は図３において、プラスチック加工部３３に相当するものをプラスチック２４に加工をして最外部にプラスチック加工部２４を設けたものである。つまり、図３では片側に設けた加工部分を図４では両側に設けたものである。この結果、集光装置の表裏を意識する必要がなく使用できるようになっている。
【００３６】
図５は図３において、プラスチック加工部３３に相当するものをプラスチック５３として新たに付加したものである。機能としてはプラスチック加工部３３に相当するものを製造時に別の層として設けたものである。
【００３７】
図６は図５において、プラスチック５３に相当するものを反対側のプラスチック２４の外側にもプラスチック６４として設けたものである。つまり、図５では片側に設けた集光効率をあげる新たな層を図６では両側に設けたものである。この結果、集光装置の表裏を意識する必要がなく使用できるようになっている。
【００３８】
図７は図２、図１で示した集光装置１１を曲げた状況を示すものである。図２、図３で示したプラスチック２３、２４、２５は可撓性の素材でできているので、図７において示すように、プラスチック２３、２４、２５からなる集光装置１１の機能を持つシート状の集光シートを撓ませることができる。このとき、プラスチック２３、２４、２５は平面上でなくとも、プラスチック２３とプラスチック２４のそれぞれの屈折率Ｎ２３、Ｎ２４がプラスチック２５の屈折率Ｎ２５より大きいので、光ファイバーと同じ原理で、光はプラスチック２５のなかをプラスチック２３とプラスチック２４の境界面で反射を繰り返し、やがて光−電気変換装置１２に達する。これにより、プラスチック２３、２４、２５の可撓性の素材からなる集光シートの集光装置１１は屋根や壁や野原において設置した場合において、必ずしもきれいな平面上ではなく、多少の凸凹状に配置したとしても集光装置としての機能を果たすことが解る。
【００３９】
なお、以上において図２の集光装置の断面構造を曲げた場合の断面構造として図７を説明したが、図３、図４、図５または図６の場合の断面構造であっても、同様の理由により、一度、集光装置のプラスチック２５に達した光はプラスチック２３とプラスチック２４との間で反射を繰り返し、伝達されていく。
【００４０】
また、前述した集光シートは可撓性であるので、折り畳むことも可能である。なお、折り畳んだときは集光装置としての機能は考えないものとする。以上により、雑に配置しても機能を果たし、小型に収納可能であるので、移動、運搬に適した適用範囲の広い太陽光発電装置となることが解る。
【００４１】
また、集光シートの一部が破損したとしても、光の一部が洩れたりするのみであって、電気的な故障を巻き起こすことはないので、効率は低下することはあっても太陽光発電装置としての機能は支障をきたすことなく果たす。したがって、信頼性が高い。
【００４２】
図８は図２で示したブラスチック２５の屈折率の分布を更に工夫したものである。図８において、プラスチック２６、２７、２８のそれぞれの屈折率Ｎ２６、Ｎ２７、Ｎ２８はプラスチック２３、２４のそれぞれの屈折率Ｎ２３、Ｎ２４よりもともに小さいが、屈折率Ｎ２６、Ｎ２７、Ｎ２８の間においては順次小さくなり、Ｎ２８が最も小さい素材を用いている。この構造により、一度、プラスチック２６、２７、２８に入った光は図１における光−電気変換装置１２への移動がより効率的に行われ、その結果、損失が軽減される。
【００４３】
本発明は前述の実施例の形態に限定されるものではない。以上において、集光装置はプラスチック素材を積層した構造で示したが、材質としては可撓性で透明であり、かつ前述した屈折率の関係を保っていれば他の素材で構成してもよい。例えば、可撓性があればガラスでもよく、また、有機物でもよい。また、集光効率の低下を覚悟すれば透明性を確保するなかで様々な色彩をつけてもよい。
【００４４】
また、図２、図３、図４、図５、図６における集光装置の中心部のプラスチック２４に蛍光物質もしくは燐光物質を混入することにより集光効率をあげられる場合もある。
【００４５】
また、集光装置は代表例として平面的になることを前提としたシート状のもので説明したが、必ずしも限定されない。例えば自動車の車体全体を集光装置として、車の内部にも設けた光−電気発電装置に集め電気に変換する方式をとれば、車体の屋根部に太陽光発電装置を並べ、スタイルを悪化させるような方法を採らなくともよくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の集光シート太陽光発電装置の実施形態例を示す構成図。
【図２】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の第１の実施形態における構造を示す断面図。
【図３】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の第２の実施形態における構造を示す断面図。
【図４】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の第３の実施形態における構造を示す断面図。
【図５】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の第４の実施形態における構造を示す断面図。
【図６】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の第５の実施形態における構造を示す断面図。
【図７】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の実際の使用状態における構造例を示す断面図。
【図８】本発明の集光シート太陽光発電装置のなかで用いる集光装置の第６の実施形態における構造を示す断面図。
【図９】本発明、及び従来の太陽光発電装置のなかで用いる光−電気変換装置の変換素子であるセル構造の第１例を示す断面図。
【図１０】本発明、及び従来の太陽光発電装置のなかで用いる光−電気変換装置の変換素子であるセル構造の第２例を示す断面図。
【図１１】本発明、及び従来の太陽光発電装置のなかで用いる光−電気変換装置の変換素子であるセルの行列状の配置例を示す平面図。
【図１２】従来の太陽光発電装置のなかで用いる集光装置と光−電気変換装置の構成の第１例を示す構成図。
【図１３】従来の太陽光発電装置のなかで用いる集光装置と光−電気変換装置の構成の第２例を示す構成図。
【符号の説明】
【００４７】
１１…集光装置、１２，１１２３，１２３２，１３４２…光−電気変換装置、２３，２４，２５，２６，２７，２８，３３，４４，５３，６４…プラスチック９１１、１０１１…Ｐ型拡散層、９１２，１０１２…Ｎ型拡散層、９１３，９１４，１０１３，１０１４…金属配線、１１２１…太陽光発電素子第１群、１１２２…太陽光発電素子第２群、１２３１…凸レンズからなる集光装置、１３４１…凹面鏡からなる集光装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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