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集光型太陽電池（CPV）
用ガラス部品とその役割
Role of Glass Parts for Concentrating Photo Votaics

岡本硝子株式会社

常勤顧問

西村啓道

HIROMICHI NISHIMURA
Okamoto Glass Co. ltd., Adviser

1．はじめに石油エネルギーの枯渇が現実の問題として認識されている現在、再生可能エネルギーの中で有力とされているのが、太陽光エネルギーである。太陽光エネルギーのエネルギー密度は、１平方メートル当り１kWであり、決して高密度とは言い難い。しかし、地球に降り注ぐ太陽光エネ
ルギーの全量は、僅か２時間で人類が年間に使用するエネルギー量に匹敵しており、充分石油代替エネルギーに図１ 太陽電池の種類なり得るものと期待できる。
地球上の五大陸には、赤道を挟んで太陽光が遮られとで、発電コストを低減しようとするものである。集光発電ることの少ないサンベルト地帯があり、有効に太陽光エの考え方は、太陽光発電の初期からあったと言われていネルギーを電気あるいは熱に変換することができれば代る１）。米国サンディア国立研究所で1970年代中頃に最初替エネルギーとして立派に役割を果たすことができる。に開発され、５０倍に集光した太陽光で12.７％と、その当またエネルギーコストも極めて重要な要素であり、開発時では高い変換効率が記録されている。その後フランあるいは実用化で必須な項目となっている。即ち、いかス、スペインおよびイタリアで、追試験が実施されている。に高い変換効率で発電するか、またＷ当りの発電コスト

我が国において、集光型の検討は、少なくとも1990年をいかに低減するかが開発競争に勝つために大切なポまでは皆無といってよい。その後、新エネルギー・産業技イントとなっている。

術総合開発機構（NEDO）の委託を受けたシャープで検太陽電池と言えば、日本では先ず屋根やビルの屋上に討された例がある。また三菱電機、住友電工では集光設置するものというイメージが大きい。その理由は設置場型GaAs太陽電池で集光システムの可能性が検討された所として平地面積の少ない日本において、屋根や屋上がものの、日本では曇りや雨の日が多く散乱日射光の割合最も有効な場所であることが上げられる。図１に太陽電が高いので、集光型システムには不向きとの結論が下さ

池の種類を示す。ここに示した太陽電池の種類によって、れていたという２）。

特性は大きく異なっている。一般的には、太陽電池パネルとして平面状に並べて使用されている。

その後、NEDOが運営する太陽光発電ニューサンシャ
イン計画においても、集光型太陽電池開発はテーマとしそれに対して最近注目されているのが、集光型太陽電て取り上げられていない。しかし、Ⅲ‐Ⅴ族多接合高変換池ＣＰＶ（Concentrator Photo Voltaics）である。太陽光を集効率太陽電池等が開発されたことで、この数年でにわか光し高性能の太陽電池を使用して高効率で発電するこに集光型太陽光発電に関する関心が高まり実用化検討

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が急速に進んだ。

族多接合太陽電池は人工衛星用に開発されたもので、ちなみに、全世界で少なくとも４０社に迫る企業がこの太陽電池としては高い変換効率と高い耐久性を示すが、３）

CPV事業を手掛けつつある 。しかし、２００９年のリーマ高価であることからごく限られた市場でしか使用されていンショック以降の景気低迷により、多くのベンチャー企業なかった。この電池が、高倍率集光下で高い変換効率の業績に大きな変動が起こっており、期待されているＣＰを示し、かつ信頼性の高い電池であることが分かり５）注

Ｖ事業の立ち上がりに影響が及んでいる。

目されるに至った。また、欧米で集光型太陽光発電が先行して開発が進み実用化が始まりつつあったことで、
日本

2．集光型太陽光発電におけるガラスでもにわかに注目を集めることとなった。
太陽光を集光し、また太陽光を追尾することにより、小2.1 集光型太陽光発電
エネルギー密度の希薄な太陽光ではあっても暴露に面積の太陽電池でより高い変換効率の発電をすること
は、集光システムのコストアップを補い総合的にコストを低よる電池性能の劣化を防ぎ、また天候変化、特に暴風減する技術とされている。

雨、砂嵐といった自然の脅威への耐性を有し、太陽電池2.2 集光方法とガラスとして最低２０年さらには３０年の耐久性が求められる。
その中で、高耐久性と高い光透過性をガラスは有してお太陽光を集光する方法として、３つの方法が挙げられている。これらの３つの方法の原理を図２に示す。

り、かけがえの無い素材となっている。一部の高分子材料も高い耐久性を示し、既にシステム上、欠くことのできない材料として実績を残し始めている。
日本に於いて2009年度の累積太陽電池導入量は、2,600ＭＷに達しており、世界３位となっている。その太陽電池の主流はSi系で、直接太陽光を受け発電するパネルタイプであり、集光型は未だ僅か0.2％にすぎない、その理由は既に述べた通りである。
太陽光発電の開発は、NEDOのニューサンシャイン計

図２ 集光型太陽電池の集光法概念図画のもと、1993年から2000年にかけて世界をリードする成果を積み重ねてきた。その間、集光型太陽電池の開発

図２（１）
は、フレネルレンズ系である。フレネルレンズ自身には予算が計上されることはなかった。しかし、2000年には通常のレンズを同心円状の領域に分割し平面状に並ニューサンシャイン計画が終了すると同時に、｢超高効率べた薄型レンズである。倍率を上げようとすると分割数を結晶化合物系太陽電池｣の製造技術開発が2001年から上げる必要があり、そのためのこぎり状の断面が増し、同2004年にかけてＮＥＤＯのテーマとして、始めて取り上げら心円状の輝線が入る。また回折の影響があり、集光効れ注目された４）率が低下する欠点が避けられない。しかもガラスで高精。

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何故、集光型が注目されるに至ったかを考えてみると、度の成形加工が困難であることが障害となっている。そ太陽光発電技術はグローバルな技術であり、世界を相手のためレンズ材料としてはプラスチックが主流となっていに考慮すべき開発技術であると認識したことにあると思る。現在、集光レンズとしてフレネルレンズを用いた例が多われる。地球上で直達日射光の多い地域、即ちサンベルく、このフレネルレンズを平型から半ドーム型、ドーム型にト地帯、例えば米国、地中海沿岸諸国、アフリカ、オーストすることにより集光効率を高めたモジュールが開発され集

ラリア、中央アジアでは、この集光型太陽電池は高効率、光効率が高められるという報告がある６）。写真１にフレネ

低発電コストを特徴とするがゆえに将来性が極めて高い

ルレンズを用いたNEDO北杜サイトの追尾型集光太陽電と期待される。特に、Ⅲ−Ⅴ族多接合、例えばInGaP／池モジュール（シャープ）を示す。

InGaAs／Ge基板を用いて５００倍近く集光することで、お図２（２）に、反射鏡２段レンズ系を示す。これはガラスをよそ４０％の変換効率を達成している。もともと、
このⅢ−Ⅴ凹面鏡として使用し、太陽光を凹面鏡の焦点位置に結像

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集光型太陽電池（CPV）
用ガラス部品とその役割ガラスとして最もオーソドックスな集光方法は、レンズ方式である。しかし、レンズ方式により高集光倍率を達成するには大きな凸レンズを使用することを意味し、ガラスの使用量が増え原料コストがかかり、重量を増大させ、レンズの焦点距離を確保するため太陽電池モジュールの厚さを増大させるので現実的ではないと考えられた。そこで考えられたのがカセグレインレンズ系であり、図２（３）に示す。
カセグレインレンズ系は、レンズ下面および上面中心の一部が反射鏡になっており、二回反射させること、および写真１ NEDO北杜サイト追尾型集光太陽電池モジュール（シャープ）

屈折率の高いガラスを使用することで、効率良く集光することができる。フレネルレンズ系および反射鏡系では、集させ、その位置に太陽電池を設置し発電を行う方法であ光装置が厚くなり薄型化には不向きであるのに対して、こる。実際には反射光を第二の小面積の反射鏡で二次集のカセグレインレンズ系は、薄型化が可能で家屋の屋根光し、その下に三次集光ホモジナイザー（ロッドレンズ）を設等への設置も充分可能であることが特徴である。レンズ

け、さらに均一に小面積の太陽電池に照射し、より高いとしての厚みは、一つのセルの大きさにも依存するが５〜１変換効率で発電される仕組みになっている。その概念２ｍｍで済む。しかし、ガラス材料としてはその分厚くなり、図を図３に示す。この図３のロッドレンズの一例を写真２に

重量がやや重くなることは避けられない。

示す。この方法は反射鏡による集光を利用した方法であ

写真３にカセグレインレンズ系を用いた太陽光発電用レる。一方、世の中には大きな反射鏡あるいは多くの鏡を組ンズ模型を示す。カセグレイン型は、太陽光をレンズ下部み合わせてその焦点位置に集光させて発電する方法も凹面鏡（主鏡）で反射し、レンズの光軸上前方の双曲面のある。これらはディッシュ方式、ヘリオスタット方式とも呼ば凸面鏡（副鏡）で対向させ、下部凹面鏡の中央の開口部れる集光発電方式である。これら二つの方式は、太陽熱より裏側に光束を取り出して小面積太陽電池に導き発電発電法に利用されており、大きな凹面鏡あるいは大面積する方式である。の平面鏡を使用している。

図３ 反射鏡型集光太陽電池の集光・発電の概念図
写真３ カセグレインレンズ系太陽光発電用レンズ模型

2.3 その他の集光方法
以上ガラスの代表的集光方法について述べたが、集光方法として他にいくつかの提案がなされている。その一つが平面導波路型集光レンズ、またの言い方としての全反射集光型があるが、その実効性等には未だ疑問点がある。薄型化に向いており期待できるが、実用化には困
写真２ ロッドレンズの一例難を伴うと予想される。

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またパネル型太陽電池において低倍率の集光法ではあるが、金属反射板等を太陽電池の両側に設置するか、放物型トラフを設置することで数倍から数十倍集光する方法の実用化も期待されるが、本稿では詳細については触れない。またホログラフィックに集光させる例もあるが、耐久性などに疑問が残る。

3．太陽電池の種類と集光時の集光倍率と変換効率の関係
集光型太陽電池としての多接合化合物半導体太陽電池の特性は、結晶Si系太陽電池と異なり、集光による温度上昇が起こっても変換効率の低下がほとんど無いということである。また集光倍率を上げるほど、変換効率が上がるのが大きな利点である５）。

図５ 太陽電池の種類による集光倍率と変換効率

集光時の太陽電池の光電変換特性は、電池の温度上昇が起こり、そのために太陽電池の種類によって変換特５）SiセルやGaAsセルでは、変換効率は20％程と低く、集性が大きく異なることが報告されている 。Si系の太陽電光倍率を高めていってもほとんど変換効率は上昇せず、池特性が、結晶系と非晶質系で性能に大きな差があるこやがて数10倍で急激に低下領域に入ることが分かる。とは良く知られている。非晶質（a-）Siに微結晶（μc-）
Si

InGaP/InGaAs/Geセルにおいて、集光倍率を高めてい系薄膜を積層した、２層接合Si系太陽電池の吸収スペクった時の変換効率の変化を示したのが図５の一番上のトルを図４に示す。２種類のSi系の薄膜間で吸収する波曲線である。この多接合セルは、そもそもの変換効率が長領域が大きく異なっていることがわかる。このように２種32％と極めて高く、さらに集光倍率を高めるに従って変換類の吸収波長領域を補い合うように設計すれば性能が効率は上昇を続け、やがて飽和から低下領域に入るが、７）向上することが期待されている 。しかしながら、結晶Si

SiセルやGaAsセルの変化と比較すると断然優れている系の温度変化による特性低下は改善されていない。

ことが分かる５）。

シャープの高本らは、太陽電池について集光倍率と変このような特性を得るためには膜構成について様々な5）因子、例えば膜構成、成膜条件、電極構造等々を最適化換効率との関係を測定し、図５に示す結果を得ている 。

する必要がある。この図５では各セルの直列抵抗値がパラメーターとなっており、多接合セルはその影響を受け難いことを示している。
日本のシャープおよび米国Spectrolab等が多接合化合物半導体太陽電池の製造実績を有しており、今後集光型太陽電池の供給メーカーとして広く利用されるものと考えられる。また新たな参入メーカーも計画されている。現在までの多接合化合物半導体太陽電池の開発成果の推移を表１に示す。なお、
この表には全ての記録が網羅されている訳ではないが、代表的な記録を表示している。また、倍率の表示が無い場合は、非集光太陽電池としての変換効率を示している。
太陽光を高倍率に集光し、多接合化合物半導体太陽
図４ 非晶質（a-）
Siと微結晶（μc-）
Si積層膜の吸収スペクトル10

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電池を小面積で使用することで、汎用商用集光型太陽光集光型太陽電池（CPV）
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表１ 多接合化合物太陽電池の経時的開発成果

発電でも原子力発電コストに匹敵する５〜７円／kWｈの低コスト化を実現できる見通しが得られたとの報道がさ８）れている 。

し、再度世界をリードできるよう期待したい。
最後に写真・図等の使用許可をいただきましたシャー
プ様、産業総合技術研究所太陽光発電研究センター様、そして新エネルギー・産業技術総合開発機構様に感謝し4．まとめます。

現在、世界を上げて太陽光発電の開発が進められている。その中にあって低コスト化の有力な手段の一つとし参考文献て、集光型太陽電池への関心が高まっている。その主要

1） NEDO海外レポート No. 1012、p65（2007）

な方向として、高変換効率を特徴とする多接合化合物半2） 愛工技センターニュース 第470号、（1998）

導体太陽電池を用い、集光倍率を高めることで４０％を超

3） Photon International, Nov. p146（2008）

える高変換効率を達成しつつある。

4） NEDO｢超高効率結晶化合物系太陽電池モジユール製造技術開発｣報告（2006）

ガラスは、高耐久性、高信頼性の集光材料として、レンズあるいは反射鏡の要素材料として重要な役割を果たそうとしている。そのためにガラスの成形性を高め、求められる高い精度と高い生産性をもとに低コスト化を実現し、グリッドパリティ（既存の系統電力と等価）を確保する

5） 高本、兼岩、シャープ技報 93、p49（2005）6） 太陽光発電技術研究開発｢先進太陽電池技術研究開発｣事
後評価概要説明資料、NEDO技術開発機構新エネルギー技術開発部（2006）
http://www.nedo.go.jp/iinkai/kenkyuu/bunkakai/18h/jigo/55/1/
5-2.pdf

だけでなく、さらなる低発電コストへの開発が望まれてい7） 平成２
１年度産業総合技術研究所太陽光発電研究センター資料（2009）

る。それが再生可能エネルギー問題の改善に資すること

8） 日経Micro devices, Jan. p28（2009）に繋がると信ずる。日本が今までの経験と実績を活か

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