太陽電池素子及び太陽光発電装置
【課題】 本発明は、太陽の日出から日没までの広範囲な太陽移動に対して効率良く太陽光を受光すると共に、小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】 本発明の太陽電池素子１は、Ｖ字型の溝を備えた第１透明媒体２ａ、２ｂと、この溝を埋め込むように配置される第２透明媒体３と、Ｖ字型の溝の斜面と同方向に位置する第１透明媒体２ａ、２ｂの側面に配置される太陽電池４ａ、４ｂと、第１透明媒体２ａ、２ｂの底面に配置される反射板５を備え、Ｖ字型の溝の斜面と底面がなす角度δが４５°より小さくすることを特徴とする。
【解決手段】 本発明の太陽電池素子１は、Ｖ字型の溝を備えた第１透明媒体２ａ、２ｂと、この溝を埋め込むように配置される第２透明媒体３と、Ｖ字型の溝の斜面と同方向に位置する第１透明媒体２ａ、２ｂの側面に配置される太陽電池４ａ、４ｂと、第１透明媒体２ａ、２ｂの底面に配置される反射板５を備え、Ｖ字型の溝の斜面と底面がなす角度δが４５°より小さくすることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電装置の受光面を構成する太陽電池素子及びこれを集合配置してなる太陽光発電装置に関し、特に、太陽光を効率良く太陽電池に集光すると共に、小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光は単位面積あたりのエネルギー密度がＡＭ（Air Mass）１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２と低いため、発電量（電力）を増やすためには大面積の太陽電池が必要である。しかし一般的に太陽電池は高価なことからコスト問題が大きな壁となり太陽光発電システムの普及の妨げとなっている。そこで受光面積を小さくしつつ受光面以外に入射した太陽光を効率良く受光面に導く反射板の配置方法やレンズ等の配置方法などが種々提案されている。
このような提案の一例として特許文献１および特許文献２記載の技術がある。
【０００３】
特許文献１には、図９に示すように、断面が直角三角形のプリズム１０１の短辺側１０１ａに整合部材１０２を介在して太陽電池１０３を装着し、長辺側にはミラー１０４を装着した太陽電池用集光装置が開示されている。ここでプリズム１０１の角度θは、プリズム１０１の受光面１０１ｂから入射した太陽光がプリズム内の底面１０１ｃと受光面１０１ｂでほぼ全反射を繰り返して太陽電池１０３に到達するように予め設計されている。これにより太陽光の入射角に関係なく、入射した太陽光の大部分を太陽電池１０３に集めることができるというものである。
【０００４】
一方特許文献２には、図１０（ａ）、（ｂ）示すように、断面が鋸刃状のプリズム１１３の短辺側に透明接着剤１１５を用いて太陽電池１１６を配置し、この鋸刃状のプリズム１１３表面を覆うように水１１２を充填させた太陽集光装置が開示されている。プリズム１１３の底面にはミラー１１４が配置されている。ここで水の屈折率をｎ１、プリズム１１３の屈折率をｎ２、透明接着剤１１５の屈折率をｎ３としたときにｎ２＞ｎ３＞ｎ１の関係が成り立つように屈折率を予め設計すると共にプリズム角度αを所定角度に設計する。これにより図１０（ｂ）に示すように、空気と水の界面Ｋ１に達した太陽光は水中を進行する。そして水１１２とプリズム１１３の界面Ｋ２に達するとプリズム１１３内部を進行してミラー１１４で反射される。この反射光はＫ４で更に反射され水と空気の境界Ｋ５で再度水中を進行して最終的に太陽電池１１６に入射する。このように境界Ｋ１〜Ｋ５で全反射するように屈折率とプリズム角度が設計されているので、太陽光の広範囲の入射角変化に対応でき、且つ高効率で太陽光を集光させることができるというものである。
【特許文献１】特開平６−２７５８５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３４０４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで上述した特許文献１記載の技術は、太陽電池を太陽の方向に向ける追尾装置が不要で、且つ装置の小型化並びに発電効率を向上させることができるという利点を有するが、太陽の日出から日没までの太陽の移動範囲（太陽光の入射角度−９０°〜＋９０°）全てをカバーするという点からは受光カバー範囲の点で未だ十分でないという問題を有している。
【０００６】
また特許文献２記載の技術も追尾装置が不要で、発電効率を向上させることができるという利点を有するものの、図１０（ａ）に示す方向（イ）から太陽光が入射した場合は特許文献２記載の作用が発揮されるが、方向（ロ）から太陽光が入射した場合はプリズム１１３内で全反射が生じないため太陽光が太陽電池に到達しないという問題を有している。
【０００７】
そこで本発明は、太陽の日出から日没までの太陽移動に対して効率良く太陽光を集光すると共に、高効率で太陽光の集光を可能とし、且つ小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の請求項１記載の太陽電池素子は、Ｖ字型の溝を備えた第１透明媒体と、第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、Ｖ字型の溝の長手方向と同方向に設けられる第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、Ｖ字型の溝の斜面と底面がなす角度δが４５°より小さいことを要旨とする。
【０００９】
本発明の請求項２記載の太陽電池素子は、請求項１記載の太陽電池素子であって、第１及び第２透明媒体の材料が透明樹脂である場合において、第２透明媒体の表面上に紫外線を可視光に変換する波長変換板を配置することを要旨とする。
【００１０】
本発明の請求項３記載の太陽電池素子は、請求項１または２記載の太陽電池素子であって、太陽電池は、第１透明媒体の側面側に設けられる透明電極と、透明電極上に形成される結晶系シリコン、又は非晶質シリコンからなるシリコン層と、シリコン層上に形成される金属電極で構成され、金属電極は、隣接配置される太陽電池の透明電極に直列接続されることを要旨とする。
【００１１】
本発明の請求項４記載の太陽光発電装置は、Ｖ字型の溝を有する第１透明媒体と、第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、Ｖ字型の溝の斜面と同方向に位置する前記第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、Ｖ字型の溝の斜面と前記底面がなす角度δが４５°より小さい太陽電池素子を複数個集合配置させてなることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、太陽の日出から日没までの太陽移動に対して効率良く太陽光を集光すると共に、小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の構成図である。図２は、図１の太陽電池素子を集合配置してなる太陽光発電装置の外観図である。図３は、図１の太陽電池素子の断面図である。図４、図５は、この太陽電池素子に入射した太陽光の導光経路を示した光路図である。図６は、一般的な太陽電池素子の透過率特性及び反射率特性を示すグラフである。図７は、本実施の形態に係る太陽電池素子の集光量と集光面積比率を表すグラフである。更に図８は、集光板の対太陽電池面積比を表すグラフである。
【００１５】
まず図１に示すように、本発明の太陽電池素子１は、屈折率が異なる第１透明媒体（屈折率ｎ１）２ａ、２ｂと第２透明媒体（屈折率ｎ２）３、太陽電池４ａ、４ｂ、反射板５で構成され、第１透明媒体２ａ、２ｂで形成されるＶ字型の溝（以下、単にＶ溝と称す。）に第２透明媒体３を配置し、この第１透明媒体２ａ、２ｂの側面に太陽電池４ａ、４ｂを接合して、更に底面に反射板５を接合している。
【００１６】
具体的に第１透明媒体２ａ、２ｂは、断面が直角三角形を有する三角柱を２本用意し、この三角柱の所定の辺を突き合わせてＶ溝を形成している。所定の辺とは、三角柱の斜面と底面がなす角度σを有する辺である。ここで角度δは４５°より小さい角度とする。この第１透明媒体２ａ、２ｂの短辺側（側面）には太陽電池４ａ、４ｂが透明接合材料等により接合されている。透明接合材料は、第１透明媒体２ａ、２ｂと太陽電池４ａ、４ｂの間に屈折率を生じさせない材料、若しくは低屈折率の材料であることが望ましい。また第１透明媒体２ａ、２ｂの長辺が連設して構成される底面には、金属反射材料（例えばアルミニウム（Ａｌ））が蒸着法により堆積されている。この堆積方法は、底面に直接蒸着させる方法に限らず、予め堆積形成させた反射膜を後から接着剤等で第１透明媒体２ａ、２ｂの底面に接合させる方法でも良い。
【００１７】
一方、第２透明媒体３は、このＶ溝を埋め込むように配置されるものであって、その表面は平坦面を有している。
【００１８】
尚、本実施の形態において第１及び第２透明媒体２ａ、２ｂ及び３はガラス基板とし、太陽電池４ａ、４ｂは、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、非晶質シリコン太陽電池、色素増感太陽電池、有機半導体薄膜太陽電池、化合物半導体単結晶太陽電池、化合物半導体多結晶太陽電池等各種の太陽電池のいずれも適用可能である。
【００１９】
ところで上記構成において本実施の形態では、第１透明媒体２ａ、２ｂの屈折率ｎ１と第２透明媒体３の屈折率ｎ２は以下の関係（式（１））を有している。
【数１】
【００２０】
ここで従来の平面据え置き型の太陽光発電装置よりもコストを下げるならば、高価な太陽電池の使用面積を小さくし、この小さい太陽電池に太陽光を効率良く集光させる必要がある。
【００２１】
仮に従来型の太陽電池（底面に太陽電池を配置する形式）の集光効率を１とし、そのときの太陽電池の面積をＳconcentratorとし、本発明の太陽電池（側面に太陽電池を配する形式）の面積をＳcellとした場合において、上記条件を満たすためには両面積の間に以下の関係式（２）が常に成り立つ必要がある。
【数２】
【００２２】
また本発明の太陽電池素子１の底面の幅をＬ、奥行きをＷ、厚さをＤとした場合、面積Ｓconcentrator、面積Ｓcell、長さＬ、及び厚さＤの間には以下の関係式（３）（４）が成り立つことから、関係式（２）を考慮すると関係式（５）が導き出せる。
【数３】
【００２３】
ここで式（５）に示される長さＬ、厚さＤ、傾斜角δの間には以下の関係式（６）が成り立つことから、関係式（７）の条件を導き出すことができる。
【数４】
【００２４】
従って、δ＜４５°でなければ太陽電池を平面据え置きにしたときよりも面積を少なくすることができず、経済的利益を生むことができないことが分かる。そこで本発明では傾斜角δを４５°より小さいことを必要条件とする。
【００２５】
次に、図４を参照して太陽光の入射角度に対する第１及び第２透明媒体内の導光経路について説明する。図４（ａ）は、日出から正午までのいわゆる図２において入射角が−９０°〜０°の範囲内で移動する場合に太陽光が第２透明媒体上の位置Ｐ０から入射したときの導光経路を示す図である。また図４（ｂ）は、図４（ａ）と同条件において太陽光が第２透明媒体上の位置Ｐ１から入射した場合の導光経路を示す光路図である。
【００２６】
まず図４（ａ）に示すように、太陽光が第２透明媒体３の点Ｐ０から角度θ０で入射すると、境界Ｋ０で光の一部は反射し、他の光は屈折して第２透明媒体３内を導光し、境界Ｋ１ａに到達する。境界Ｋ１ａに対する入射角度はθ１＋δである。
【００２７】
境界Ｋ１ａに到達した光は、境界Ｋ１ａで一部が反射し、境界Ｋ０の内側面に達する。入射角θ１＋２δで入射したこの光は境界Ｋ０で全反射して境界Ｋ１ｂに入射角θ１＋δで入射する。そして境界Ｋ１ｂで屈折した光はそのまま太陽電池４ｂに達する。
【００２８】
一方、境界Ｋ１ａに到達した光のうち屈折した光は第１透明媒体２ａ内を導光して境界Ｋ２ａに到達する。境界Ｋ２ａには反射板５が配置されているため全反射して、境界Ｋ１ａに入射角θ２＋２δで入射し、境界Ｋ１ａで全反射して太陽電池４ａに入射する。
【００２９】
また図４（ｂ）に示すように、太陽光がθ０の角度で第２透明媒体３の点Ｐ１から入射すると、境界Ｋ０で光の一部は反射し（反射光Ｒ１）、他の光は屈折して第１透明媒体２ａ、２ｂ内を導光して境界Ｋ１ｂに到達する。境界Ｋ１ｂに対する入射角度はθ１−δである。
【００３０】
境界Ｋ１ｂに到達した光は、境界Ｋ１ｂで一部が反射して境界Ｋ０の内面側に入射角θ１＋２δで入射し、この境界Ｋ０で全反射して境界Ｋ１ａに入射角θ１＋δで入射する。そして境界Ｋ１ａにおいて一部の光は反射して境界Ｋ０の内面に達し、一部は外に放出され、他の一部は反射により再び境界Ｋ１ａを通過して太陽電池４ａに達する。境界Ｋ１ａで屈折した光は、そのまま太陽電池４ａに入射する。
【００３１】
一方、境界Ｋ１ｂに入射した光のうち屈折した光は、第１透明媒体２ｂ内を導光し、境界Ｋ２ｂに到達する。境界Ｋ２ｂには反射板５が配置されていることから入射した光は全反射して境界Ｋ１ｂに入射角θ１＋２δで入射する。そして一部の光は反射して太陽電池４ｂに直接入射し、他方の屈折した光は第２透明媒体３内を導光して境界Ｋ０に達し、この境界Ｋ０で反射して、再び境界Ｋ１ｂを通過して太陽電池４ｂに達する。
【００３２】
従って、本実施の形態に係るＶ溝を有する太陽電池素子１は、点Ｐ０から入射した太陽光はその大半が太陽電池４ａに集光され、点Ｐ１から入射した太陽光はその大半が太陽電池４ｂに集光する効果を有する。
【００３３】
次に図５を参照して、太陽が０°（正午）に位置している場合の太陽光の導光経路を説明する。
【００３４】
まず第２透明媒体３に対して０°の角度で太陽光が入射すると、点Ｐ３から入射した太陽光は、そのまま境界Ｋ０を通過して境界Ｋ１ａに角度δで入射する。この光は境界Ｋ１ａで反射及び屈折し、このうち屈折した光は境界Ｋ２ａで全反射して再び境界Ｋ１ａに達し、その一部は反射して第１透明媒体２ａ内で反射を繰り返しながら太陽電池４ａに達する。一方、境界Ｋ１ａの内側から第２透明媒体３に向かって屈折した光は、境界Ｋ０の内面に達し、一部は外に放出され、他の一部は再び第２透明媒体３内を導光し、境界Ｋ１ａを通過して太陽電池４ａに到達する。
【００３５】
また、境界Ｋ０において入射角度δで入射した光のうち反射した光は、境界Ｋ１ｂで反射光と屈折光に分離される。このうち反射光は、境界Ｋ０の内面で更に反射光と屈折光に分離され、反射光のみが境界Ｋ１ｂを通過して太陽電池４ｂに到達する。屈折光はそのまま外に放出される。一方、境界Ｋ１ｂで屈折した光は、境界Ｋ２ｂで全反射して太陽電池４ｂに到達する。
【００３６】
上述した太陽光の導光経路は、日出から正午までの太陽の移動に対して説明したものであるが、正午から日没までの太陽の移動は、図４（ａ）、（ｂ）と対照の経路となることからその説明は省略する。
【００３７】
尚ここで、単位面積あたりの太陽光のエネルギーをＷとし、太陽電池４ａ、４ｂの面積をそれぞれＳとすると、太陽電池４ａ、４ｂにはＷ×Ｓ×ｃｏｓθ０のエネルギーが入射することになる。但し、正午はθ０が０（ゼロ）のため、太陽電池に入射するエネルギーはＥ×Ｓとなる。
【００３８】
また図４（ａ）、（ｂ）で説明したように、第２透明媒体３に対して入射角θ０で入射した光は角度θ１で屈折すると第２透明媒体３上の反射率をＲ１、空気の屈折率をｎ０とすると、入射光と屈折光の関係は屈折の法則より式（８）で表せる。
【数５】
【００３９】
また、自然光に含まれるＳ偏光が第２透明媒体の表面で反射する反射率ｒｓ１と、Ｐ偏光が第２透明媒体の表面で反射する反射率ｒｐ１はそれぞれ式（９）、式（１０）で表せる。
【数６】
【００４０】
従って、第２透明媒体の表面で反射する総合反射率Ｒ１は、式（１１）で求めることができる。
【数７】
【００４１】
尚、正午の場合は第２透明媒体３の表面に対して垂直入射（θ０＝０°）するため、反射率Ｒ１は式（１２）で表せる。
【数８】
【００４２】
そこで式（１２）に仮にｎ０＝１、ｎ２＝１．４を代入すると、入射角θ０が９０°〜０°の範囲内にある場合、屈折角θ１＝４５．６°〜０°となる。このとき空気と第２透明媒体３の間で全反射が生じる臨界角θＣ,１は式（１３）で表せる。
【数９】
【００４３】
上式（１３）にｎ０とｎ１を代入すると、臨界角θＣ,１は約４５．６°となる。そこで図４（ａ）、（ｂ）に示した境界Ｋ０において全反射を生じさせようとする場合は、θ１＋２δが４５．６°より大きい（すなわち、θ１＋２δ＞４５．６°を満たすように）δを設定すれば良い。ここでθ１を０（ゼロ）とすると、傾斜角δは、２２．８°より大きく、４５°より小さい角度に設定すれば太陽光が外に漏れることなく略全ての太陽光を太陽電池４ａ、４ｂに集光させることができる。
【００４４】
また正午の場合は、２δが４５．６°より大きい（すなわち、２δ＞４５．６°を満たすように）δを設定すれば良い。従ってこの場合も同様に、傾斜角δを２２．８°より大きく、４５°より小さい角度に設定すれば取得した太陽光を太陽電池に導くことができる。
【００４５】
ここで図６を参照して、一般的な平面据え置き型太陽電池の反射率特性（グラフ（ｂ））と透過量（グラフ（ａ））の変化を示す。同グラフに示すように反射率は、太陽電池に対して太陽光が垂直（θ０＝０）に入射したとき反射率が最も小さくなり、すなわちグラフ（Ａ）に示すように透明媒体を透過する透過量が最も高くなる。一方、この透過量のピーク点を起点として入射角度θ０が大きくなるにつれ（−９０°方向、若しくは＋９０°方向に進むにつれ）、反射率が高くなり、それに相反して透過量が少なくなる。
【００４６】
次に上記した一般的な反射率特性と透過量の関係を前提に本発明のＶ溝構造を有する太陽電池素子の受光効率について説明する。
【００４７】
図７は、太陽光の屈折及び反射により側面に配置された太陽電池４ａ、４ｂに入射される量を示したグラフである。
【００４８】
ここで本発明のＶ溝型の集光板を使わず、太陽電池を平面に据え置きに設置したときの太陽光の入射量を（ａ）集光なしとし、集光板の面積を太陽電池の面積の２倍、２００倍にしたときの入射量を（ｂ）、（ｃ）で示した。
【００４９】
その結果、グラフから読み取れるように集光板を使用した方が太陽電池への入射量が増加することが分かる。更に、図８に集光板の対太陽電池面積比と単位面積あたりの集光量を示す。同図に示すように、集光比を上げるために集光板の面積を大きくすると、図７に示すように太陽電池へ集光される入射量は増えるが，図８に示すように集光板の集光効率が低下し、集光板の単位面積あたりの集光量は大きく低下する。集光板の対太陽電池面積比を２．０にした時に、単位面積あたりの集光量は据え置きに設置したときの１．８４倍となり面積が２倍になっていることから９２％の集光効率が得られることが示された。
【００５０】
従って、最適な集光板の対太陽電池の面積比は２．０であり、第１透明媒体２ａ、２ｂの傾斜角δ＝２６．５６５°のときに最大の集光効率９２％が得られる。
【００５１】
次に図７を参照して、本発明に係る太陽電池素子の他の実施の形態を説明する。
【００５２】
太陽光に含まれる紫外線は、物質を漂白することや材質を変質させるエネルギーを有することからガラスは紫外線に対して変質を生じないが、プラスチックは長期間太陽光のもとに曝されると変質し易い。しかしプラスチックはガラスに比べてコストも安く、軽量であり、更に屈折率を可変させることが容易であるため需要が高い。そこで上記有用性を有するプラスチックを利用しつつ、この太陽光に曝される表面にはガラスからなる波長変更板を用いる。
【００５３】
この波長変換板１５は、太陽光に含まれる紫外線（波長３００〜４００ｎｍ）の光を可視光に変換する波長変換板であり、蛍光ガラス基板に紫外線−可視光変換物質として光活性イオン（Ｃｅ３＋）をドープしたものである。
【００５４】
具体的には、ガラス基板中に、紫外線−可視光変換物質としての光活性イオンがドープされたものである。本実施の形態では、光活性イオンとしてＣｅ３＋がドープされている。なお、Ｃｅ３＋を三価のイオンとして安定してガラス基板中にドープするために、ホウケイ酸ガラスの組成中に、（Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ）を配合している。又、ガラス基板としては、ホウケイ酸ガラスの他に、既存の酸化物ガラス、ソーダライムガラス等を用いることができる。
【００５５】
Ｃｅ３＋をドープしたガラス基板１１（Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ：Ｃ
ｅ３＋）の特性は、下記の通りである。
【００５６】
形態；ガラス
吸収波長λｅｘ；２７５〜４５０ｎｍ
ピーク波長；３５０ｎｍ
蛍光波長λｅｍ；４００〜５００ｎｍ
ピーク波長；４５０ｎｍ
上記Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ：Ｃｅ３＋のほとんどの成分がカバーガラスとしてのガラス基板１１の成分と同じであり、この光活性イオン１５をドープしたものをガラス基板として作製すれば、材料投資、エネルギー投資を少なくすることが可能である。
【００５７】
紫外線−可視光変換物質として光活性イオンをドープしているのに対して、蛍光体微粒子をガラス基板中に混合させてもよい。蛍光体微粒子としては、下記（Ａ）〜（Ｇ）の一般式で表される物質の微粒子を用いることができる。
【００５８】
（Ａ）Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ：Ｃｅ３＋
（Ｂ）ＣａＦ２：Ｅｕ２＋、もしくはＳｒＦ２：Ｅｕ２＋
（Ｃ）ＭｇＦ２：Ｅｕ２＋
（Ｄ）ＳｒＯ・Ａｌ２Ｏ３：Ｅｕ２＋
（Ｅ）１．２９（Ｂａ，Ｃａ）Ｏ・６Ａｌ２Ｏ３：Ｅｕ２＋、もしくは０．８２ＢａＯ・６Ａｌ
（Ｆ）ＢａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋
（Ｇ）ＭｇＦ２：Ｙｂ２＋
これら材料で構成された太陽電子素子によれば太陽光に含まれる紫外線を可視光に変更することができるので、エネルギー密度の高い可視光による受光が可能になり、通常の可視光及び赤外光の取り込みに加え、紫外線のエネルギーも可視光として取得できるため従来よりも発電効率を向上させることができる。また第２透明媒体３の表面が紫外線により変質することを防止することができるので、常に平坦な受光面を維持することができ、その結果、長期受光率の安定性を図ることができる。また透明樹脂を用いることで太陽電池素子１１自体の軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００５９】
また紫外線−可視光変換用蛍光ガラスの屈折率を第２透明樹脂基板１２の屈折率ｎ２に近く設定することによって、紫外線−可視光変換用蛍光ガラスと第１透明樹脂基板１３ａ、１３ｂを光学的には同体とみなすことができるので、紫外線から変換された可視光はほとんど反射損を受けずに第１透明樹脂基板１３ａ、１３ｂに導光され太陽電池１４ａ、１４ｂに集光される。紫外線−可視光変換用蛍光ガラス１５から発せられる蛍光のうち、空気層に逃げる量βは屈折率ｎ１により、次式（１４）により求められ、この式から約１５%の蛍光が空気層に伝播され蛍光色を与えることができる。
【数１０】
【００６０】
次に図８を参照して、上記太陽電池の電極の配線構造について説明する。図８（ａ）は太陽電池素子の斜視図であり、図８（ｂ）は電極部の拡大図である。
【００６１】
図８（ｂ）に示すように、第１透明媒体２ａ、２ｂの側面には透明電極４１と、この透明電極４１上に形成される結晶系シリコン又は非晶質シリコンからなるシリコン層４２と、更にこのシリコン層４２上に形成される金属電極４３で構成されている。
【００６２】
ここで結晶系シリコンとは、単結晶または多結晶のいずれのシリコン材料も含む総称であり、非晶質シリコンは、アモルファスシリコンを結晶成長させたものを指している。このシリコン層は透明電極４１と金属電極４３で挟持されており、図８（ｂ）に示すように各電極の短辺のうちいずれかの短辺に回り込むように電極が設けられている。これにより太陽電池素子の電極同士が接触するように直列配置させると、（透明電極４１の短辺側が隣接する太陽電池素子の金属電極４３の短辺と接続することとなり）太陽電池の直列接続が可能になる。従って、太陽電池素子をマトリクス状に集合配置させたときに外周に配置された太陽電池の電極からリード線を引き出すことにより各列ごとに電力を得ることができる。尚、隣接する透明電極４１と金属電極４３にそれぞれ凹形状の端子と凸形状の端子を設けておき、両電極が勘合する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の構成図である。
【図２】本発明の太陽電池素子を集合配置してなる太陽光発電装置の外観図である。
【図３】本発明の太陽電池素子の断面図である。
【図４】本発明の太陽電池素子に入射した太陽光の反射経路を示した光路図（日出又は日没時）である。
【図５】本発明の太陽電池素子に入射した太陽光の反射経路を示した光路図（正午時）である。
【図６】一般的な太陽電池素子の透過率特性及び反射率特性を示すグラフである。
【図７】本発明の太陽電池素子の太陽入射角に対する太陽電池への入射量を示したグラフである。
【図８】本発明の太陽電池素子の単位面積あたりの集光量を示したグラフである。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る太陽電池素子の断面図である。
【図１０】本発明の太陽電池素子の電極の積層構造を示した構造図である。
【図１１】従来の太陽電池素子の構造を示した構造図である（その１）。
【図１２】従来の太陽電池素子の構造を示した構造図である（その２）。
【図１３】地球の地軸変化に伴う太陽光の受光角度を示したイメージ図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…太陽電池素子
２ａ、２ｂ…第１透明媒体
３…第２透明媒体
４ａ、４ｂ…太陽電池
５…反射板
１１…太陽電池素子
１２…第２透明樹脂基板
１３ａ…第１透明樹脂基板
１４ａ…太陽電池
１５…可視光変換用蛍光ガラス（波長変換板）
４１…透明電極
４２…シリコン層
４３…金属電極
１０１…プリズム
１０１ａ、１０１ｂ…短辺側
１０１ｃ…底面
１０２…整合部材
１０３…太陽電池
１０４…ミラー
１１２…水
１１３…プリズム
１１４…ミラー
１１５…透明接着剤
１１６…太陽電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電装置の受光面を構成する太陽電池素子及びこれを集合配置してなる太陽光発電装置に関し、特に、太陽光を効率良く太陽電池に集光すると共に、小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光は単位面積あたりのエネルギー密度がＡＭ（Air Mass）１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２と低いため、発電量（電力）を増やすためには大面積の太陽電池が必要である。しかし一般的に太陽電池は高価なことからコスト問題が大きな壁となり太陽光発電システムの普及の妨げとなっている。そこで受光面積を小さくしつつ受光面以外に入射した太陽光を効率良く受光面に導く反射板の配置方法やレンズ等の配置方法などが種々提案されている。
このような提案の一例として特許文献１および特許文献２記載の技術がある。
【０００３】
特許文献１には、図９に示すように、断面が直角三角形のプリズム１０１の短辺側１０１ａに整合部材１０２を介在して太陽電池１０３を装着し、長辺側にはミラー１０４を装着した太陽電池用集光装置が開示されている。ここでプリズム１０１の角度θは、プリズム１０１の受光面１０１ｂから入射した太陽光がプリズム内の底面１０１ｃと受光面１０１ｂでほぼ全反射を繰り返して太陽電池１０３に到達するように予め設計されている。これにより太陽光の入射角に関係なく、入射した太陽光の大部分を太陽電池１０３に集めることができるというものである。
【０００４】
一方特許文献２には、図１０（ａ）、（ｂ）示すように、断面が鋸刃状のプリズム１１３の短辺側に透明接着剤１１５を用いて太陽電池１１６を配置し、この鋸刃状のプリズム１１３表面を覆うように水１１２を充填させた太陽集光装置が開示されている。プリズム１１３の底面にはミラー１１４が配置されている。ここで水の屈折率をｎ１、プリズム１１３の屈折率をｎ２、透明接着剤１１５の屈折率をｎ３としたときにｎ２＞ｎ３＞ｎ１の関係が成り立つように屈折率を予め設計すると共にプリズム角度αを所定角度に設計する。これにより図１０（ｂ）に示すように、空気と水の界面Ｋ１に達した太陽光は水中を進行する。そして水１１２とプリズム１１３の界面Ｋ２に達するとプリズム１１３内部を進行してミラー１１４で反射される。この反射光はＫ４で更に反射され水と空気の境界Ｋ５で再度水中を進行して最終的に太陽電池１１６に入射する。このように境界Ｋ１〜Ｋ５で全反射するように屈折率とプリズム角度が設計されているので、太陽光の広範囲の入射角変化に対応でき、且つ高効率で太陽光を集光させることができるというものである。
【特許文献１】特開平６−２７５８５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３４０４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで上述した特許文献１記載の技術は、太陽電池を太陽の方向に向ける追尾装置が不要で、且つ装置の小型化並びに発電効率を向上させることができるという利点を有するが、太陽の日出から日没までの太陽の移動範囲（太陽光の入射角度−９０°〜＋９０°）全てをカバーするという点からは受光カバー範囲の点で未だ十分でないという問題を有している。
【０００６】
また特許文献２記載の技術も追尾装置が不要で、発電効率を向上させることができるという利点を有するものの、図１０（ａ）に示す方向（イ）から太陽光が入射した場合は特許文献２記載の作用が発揮されるが、方向（ロ）から太陽光が入射した場合はプリズム１１３内で全反射が生じないため太陽光が太陽電池に到達しないという問題を有している。
【０００７】
そこで本発明は、太陽の日出から日没までの太陽移動に対して効率良く太陽光を集光すると共に、高効率で太陽光の集光を可能とし、且つ小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の請求項１記載の太陽電池素子は、Ｖ字型の溝を備えた第１透明媒体と、第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、Ｖ字型の溝の長手方向と同方向に設けられる第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、Ｖ字型の溝の斜面と底面がなす角度δが４５°より小さいことを要旨とする。
【０００９】
本発明の請求項２記載の太陽電池素子は、請求項１記載の太陽電池素子であって、第１及び第２透明媒体の材料が透明樹脂である場合において、第２透明媒体の表面上に紫外線を可視光に変換する波長変換板を配置することを要旨とする。
【００１０】
本発明の請求項３記載の太陽電池素子は、請求項１または２記載の太陽電池素子であって、太陽電池は、第１透明媒体の側面側に設けられる透明電極と、透明電極上に形成される結晶系シリコン、又は非晶質シリコンからなるシリコン層と、シリコン層上に形成される金属電極で構成され、金属電極は、隣接配置される太陽電池の透明電極に直列接続されることを要旨とする。
【００１１】
本発明の請求項４記載の太陽光発電装置は、Ｖ字型の溝を有する第１透明媒体と、第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、Ｖ字型の溝の斜面と同方向に位置する前記第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、Ｖ字型の溝の斜面と前記底面がなす角度δが４５°より小さい太陽電池素子を複数個集合配置させてなることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、太陽の日出から日没までの太陽移動に対して効率良く太陽光を集光すると共に、小型で安価な太陽電池素子及び太陽光発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の構成図である。図２は、図１の太陽電池素子を集合配置してなる太陽光発電装置の外観図である。図３は、図１の太陽電池素子の断面図である。図４、図５は、この太陽電池素子に入射した太陽光の導光経路を示した光路図である。図６は、一般的な太陽電池素子の透過率特性及び反射率特性を示すグラフである。図７は、本実施の形態に係る太陽電池素子の集光量と集光面積比率を表すグラフである。更に図８は、集光板の対太陽電池面積比を表すグラフである。
【００１５】
まず図１に示すように、本発明の太陽電池素子１は、屈折率が異なる第１透明媒体（屈折率ｎ１）２ａ、２ｂと第２透明媒体（屈折率ｎ２）３、太陽電池４ａ、４ｂ、反射板５で構成され、第１透明媒体２ａ、２ｂで形成されるＶ字型の溝（以下、単にＶ溝と称す。）に第２透明媒体３を配置し、この第１透明媒体２ａ、２ｂの側面に太陽電池４ａ、４ｂを接合して、更に底面に反射板５を接合している。
【００１６】
具体的に第１透明媒体２ａ、２ｂは、断面が直角三角形を有する三角柱を２本用意し、この三角柱の所定の辺を突き合わせてＶ溝を形成している。所定の辺とは、三角柱の斜面と底面がなす角度σを有する辺である。ここで角度δは４５°より小さい角度とする。この第１透明媒体２ａ、２ｂの短辺側（側面）には太陽電池４ａ、４ｂが透明接合材料等により接合されている。透明接合材料は、第１透明媒体２ａ、２ｂと太陽電池４ａ、４ｂの間に屈折率を生じさせない材料、若しくは低屈折率の材料であることが望ましい。また第１透明媒体２ａ、２ｂの長辺が連設して構成される底面には、金属反射材料（例えばアルミニウム（Ａｌ））が蒸着法により堆積されている。この堆積方法は、底面に直接蒸着させる方法に限らず、予め堆積形成させた反射膜を後から接着剤等で第１透明媒体２ａ、２ｂの底面に接合させる方法でも良い。
【００１７】
一方、第２透明媒体３は、このＶ溝を埋め込むように配置されるものであって、その表面は平坦面を有している。
【００１８】
尚、本実施の形態において第１及び第２透明媒体２ａ、２ｂ及び３はガラス基板とし、太陽電池４ａ、４ｂは、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、非晶質シリコン太陽電池、色素増感太陽電池、有機半導体薄膜太陽電池、化合物半導体単結晶太陽電池、化合物半導体多結晶太陽電池等各種の太陽電池のいずれも適用可能である。
【００１９】
ところで上記構成において本実施の形態では、第１透明媒体２ａ、２ｂの屈折率ｎ１と第２透明媒体３の屈折率ｎ２は以下の関係（式（１））を有している。
【数１】
【００２０】
ここで従来の平面据え置き型の太陽光発電装置よりもコストを下げるならば、高価な太陽電池の使用面積を小さくし、この小さい太陽電池に太陽光を効率良く集光させる必要がある。
【００２１】
仮に従来型の太陽電池（底面に太陽電池を配置する形式）の集光効率を１とし、そのときの太陽電池の面積をＳconcentratorとし、本発明の太陽電池（側面に太陽電池を配する形式）の面積をＳcellとした場合において、上記条件を満たすためには両面積の間に以下の関係式（２）が常に成り立つ必要がある。
【数２】
【００２２】
また本発明の太陽電池素子１の底面の幅をＬ、奥行きをＷ、厚さをＤとした場合、面積Ｓconcentrator、面積Ｓcell、長さＬ、及び厚さＤの間には以下の関係式（３）（４）が成り立つことから、関係式（２）を考慮すると関係式（５）が導き出せる。
【数３】
【００２３】
ここで式（５）に示される長さＬ、厚さＤ、傾斜角δの間には以下の関係式（６）が成り立つことから、関係式（７）の条件を導き出すことができる。
【数４】
【００２４】
従って、δ＜４５°でなければ太陽電池を平面据え置きにしたときよりも面積を少なくすることができず、経済的利益を生むことができないことが分かる。そこで本発明では傾斜角δを４５°より小さいことを必要条件とする。
【００２５】
次に、図４を参照して太陽光の入射角度に対する第１及び第２透明媒体内の導光経路について説明する。図４（ａ）は、日出から正午までのいわゆる図２において入射角が−９０°〜０°の範囲内で移動する場合に太陽光が第２透明媒体上の位置Ｐ０から入射したときの導光経路を示す図である。また図４（ｂ）は、図４（ａ）と同条件において太陽光が第２透明媒体上の位置Ｐ１から入射した場合の導光経路を示す光路図である。
【００２６】
まず図４（ａ）に示すように、太陽光が第２透明媒体３の点Ｐ０から角度θ０で入射すると、境界Ｋ０で光の一部は反射し、他の光は屈折して第２透明媒体３内を導光し、境界Ｋ１ａに到達する。境界Ｋ１ａに対する入射角度はθ１＋δである。
【００２７】
境界Ｋ１ａに到達した光は、境界Ｋ１ａで一部が反射し、境界Ｋ０の内側面に達する。入射角θ１＋２δで入射したこの光は境界Ｋ０で全反射して境界Ｋ１ｂに入射角θ１＋δで入射する。そして境界Ｋ１ｂで屈折した光はそのまま太陽電池４ｂに達する。
【００２８】
一方、境界Ｋ１ａに到達した光のうち屈折した光は第１透明媒体２ａ内を導光して境界Ｋ２ａに到達する。境界Ｋ２ａには反射板５が配置されているため全反射して、境界Ｋ１ａに入射角θ２＋２δで入射し、境界Ｋ１ａで全反射して太陽電池４ａに入射する。
【００２９】
また図４（ｂ）に示すように、太陽光がθ０の角度で第２透明媒体３の点Ｐ１から入射すると、境界Ｋ０で光の一部は反射し（反射光Ｒ１）、他の光は屈折して第１透明媒体２ａ、２ｂ内を導光して境界Ｋ１ｂに到達する。境界Ｋ１ｂに対する入射角度はθ１−δである。
【００３０】
境界Ｋ１ｂに到達した光は、境界Ｋ１ｂで一部が反射して境界Ｋ０の内面側に入射角θ１＋２δで入射し、この境界Ｋ０で全反射して境界Ｋ１ａに入射角θ１＋δで入射する。そして境界Ｋ１ａにおいて一部の光は反射して境界Ｋ０の内面に達し、一部は外に放出され、他の一部は反射により再び境界Ｋ１ａを通過して太陽電池４ａに達する。境界Ｋ１ａで屈折した光は、そのまま太陽電池４ａに入射する。
【００３１】
一方、境界Ｋ１ｂに入射した光のうち屈折した光は、第１透明媒体２ｂ内を導光し、境界Ｋ２ｂに到達する。境界Ｋ２ｂには反射板５が配置されていることから入射した光は全反射して境界Ｋ１ｂに入射角θ１＋２δで入射する。そして一部の光は反射して太陽電池４ｂに直接入射し、他方の屈折した光は第２透明媒体３内を導光して境界Ｋ０に達し、この境界Ｋ０で反射して、再び境界Ｋ１ｂを通過して太陽電池４ｂに達する。
【００３２】
従って、本実施の形態に係るＶ溝を有する太陽電池素子１は、点Ｐ０から入射した太陽光はその大半が太陽電池４ａに集光され、点Ｐ１から入射した太陽光はその大半が太陽電池４ｂに集光する効果を有する。
【００３３】
次に図５を参照して、太陽が０°（正午）に位置している場合の太陽光の導光経路を説明する。
【００３４】
まず第２透明媒体３に対して０°の角度で太陽光が入射すると、点Ｐ３から入射した太陽光は、そのまま境界Ｋ０を通過して境界Ｋ１ａに角度δで入射する。この光は境界Ｋ１ａで反射及び屈折し、このうち屈折した光は境界Ｋ２ａで全反射して再び境界Ｋ１ａに達し、その一部は反射して第１透明媒体２ａ内で反射を繰り返しながら太陽電池４ａに達する。一方、境界Ｋ１ａの内側から第２透明媒体３に向かって屈折した光は、境界Ｋ０の内面に達し、一部は外に放出され、他の一部は再び第２透明媒体３内を導光し、境界Ｋ１ａを通過して太陽電池４ａに到達する。
【００３５】
また、境界Ｋ０において入射角度δで入射した光のうち反射した光は、境界Ｋ１ｂで反射光と屈折光に分離される。このうち反射光は、境界Ｋ０の内面で更に反射光と屈折光に分離され、反射光のみが境界Ｋ１ｂを通過して太陽電池４ｂに到達する。屈折光はそのまま外に放出される。一方、境界Ｋ１ｂで屈折した光は、境界Ｋ２ｂで全反射して太陽電池４ｂに到達する。
【００３６】
上述した太陽光の導光経路は、日出から正午までの太陽の移動に対して説明したものであるが、正午から日没までの太陽の移動は、図４（ａ）、（ｂ）と対照の経路となることからその説明は省略する。
【００３７】
尚ここで、単位面積あたりの太陽光のエネルギーをＷとし、太陽電池４ａ、４ｂの面積をそれぞれＳとすると、太陽電池４ａ、４ｂにはＷ×Ｓ×ｃｏｓθ０のエネルギーが入射することになる。但し、正午はθ０が０（ゼロ）のため、太陽電池に入射するエネルギーはＥ×Ｓとなる。
【００３８】
また図４（ａ）、（ｂ）で説明したように、第２透明媒体３に対して入射角θ０で入射した光は角度θ１で屈折すると第２透明媒体３上の反射率をＲ１、空気の屈折率をｎ０とすると、入射光と屈折光の関係は屈折の法則より式（８）で表せる。
【数５】
【００３９】
また、自然光に含まれるＳ偏光が第２透明媒体の表面で反射する反射率ｒｓ１と、Ｐ偏光が第２透明媒体の表面で反射する反射率ｒｐ１はそれぞれ式（９）、式（１０）で表せる。
【数６】
【００４０】
従って、第２透明媒体の表面で反射する総合反射率Ｒ１は、式（１１）で求めることができる。
【数７】
【００４１】
尚、正午の場合は第２透明媒体３の表面に対して垂直入射（θ０＝０°）するため、反射率Ｒ１は式（１２）で表せる。
【数８】
【００４２】
そこで式（１２）に仮にｎ０＝１、ｎ２＝１．４を代入すると、入射角θ０が９０°〜０°の範囲内にある場合、屈折角θ１＝４５．６°〜０°となる。このとき空気と第２透明媒体３の間で全反射が生じる臨界角θＣ,１は式（１３）で表せる。
【数９】
【００４３】
上式（１３）にｎ０とｎ１を代入すると、臨界角θＣ,１は約４５．６°となる。そこで図４（ａ）、（ｂ）に示した境界Ｋ０において全反射を生じさせようとする場合は、θ１＋２δが４５．６°より大きい（すなわち、θ１＋２δ＞４５．６°を満たすように）δを設定すれば良い。ここでθ１を０（ゼロ）とすると、傾斜角δは、２２．８°より大きく、４５°より小さい角度に設定すれば太陽光が外に漏れることなく略全ての太陽光を太陽電池４ａ、４ｂに集光させることができる。
【００４４】
また正午の場合は、２δが４５．６°より大きい（すなわち、２δ＞４５．６°を満たすように）δを設定すれば良い。従ってこの場合も同様に、傾斜角δを２２．８°より大きく、４５°より小さい角度に設定すれば取得した太陽光を太陽電池に導くことができる。
【００４５】
ここで図６を参照して、一般的な平面据え置き型太陽電池の反射率特性（グラフ（ｂ））と透過量（グラフ（ａ））の変化を示す。同グラフに示すように反射率は、太陽電池に対して太陽光が垂直（θ０＝０）に入射したとき反射率が最も小さくなり、すなわちグラフ（Ａ）に示すように透明媒体を透過する透過量が最も高くなる。一方、この透過量のピーク点を起点として入射角度θ０が大きくなるにつれ（−９０°方向、若しくは＋９０°方向に進むにつれ）、反射率が高くなり、それに相反して透過量が少なくなる。
【００４６】
次に上記した一般的な反射率特性と透過量の関係を前提に本発明のＶ溝構造を有する太陽電池素子の受光効率について説明する。
【００４７】
図７は、太陽光の屈折及び反射により側面に配置された太陽電池４ａ、４ｂに入射される量を示したグラフである。
【００４８】
ここで本発明のＶ溝型の集光板を使わず、太陽電池を平面に据え置きに設置したときの太陽光の入射量を（ａ）集光なしとし、集光板の面積を太陽電池の面積の２倍、２００倍にしたときの入射量を（ｂ）、（ｃ）で示した。
【００４９】
その結果、グラフから読み取れるように集光板を使用した方が太陽電池への入射量が増加することが分かる。更に、図８に集光板の対太陽電池面積比と単位面積あたりの集光量を示す。同図に示すように、集光比を上げるために集光板の面積を大きくすると、図７に示すように太陽電池へ集光される入射量は増えるが，図８に示すように集光板の集光効率が低下し、集光板の単位面積あたりの集光量は大きく低下する。集光板の対太陽電池面積比を２．０にした時に、単位面積あたりの集光量は据え置きに設置したときの１．８４倍となり面積が２倍になっていることから９２％の集光効率が得られることが示された。
【００５０】
従って、最適な集光板の対太陽電池の面積比は２．０であり、第１透明媒体２ａ、２ｂの傾斜角δ＝２６．５６５°のときに最大の集光効率９２％が得られる。
【００５１】
次に図７を参照して、本発明に係る太陽電池素子の他の実施の形態を説明する。
【００５２】
太陽光に含まれる紫外線は、物質を漂白することや材質を変質させるエネルギーを有することからガラスは紫外線に対して変質を生じないが、プラスチックは長期間太陽光のもとに曝されると変質し易い。しかしプラスチックはガラスに比べてコストも安く、軽量であり、更に屈折率を可変させることが容易であるため需要が高い。そこで上記有用性を有するプラスチックを利用しつつ、この太陽光に曝される表面にはガラスからなる波長変更板を用いる。
【００５３】
この波長変換板１５は、太陽光に含まれる紫外線（波長３００〜４００ｎｍ）の光を可視光に変換する波長変換板であり、蛍光ガラス基板に紫外線−可視光変換物質として光活性イオン（Ｃｅ３＋）をドープしたものである。
【００５４】
具体的には、ガラス基板中に、紫外線−可視光変換物質としての光活性イオンがドープされたものである。本実施の形態では、光活性イオンとしてＣｅ３＋がドープされている。なお、Ｃｅ３＋を三価のイオンとして安定してガラス基板中にドープするために、ホウケイ酸ガラスの組成中に、（Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ）を配合している。又、ガラス基板としては、ホウケイ酸ガラスの他に、既存の酸化物ガラス、ソーダライムガラス等を用いることができる。
【００５５】
Ｃｅ３＋をドープしたガラス基板１１（Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ：Ｃ
ｅ３＋）の特性は、下記の通りである。
【００５６】
形態；ガラス
吸収波長λｅｘ；２７５〜４５０ｎｍ
ピーク波長；３５０ｎｍ
蛍光波長λｅｍ；４００〜５００ｎｍ
ピーク波長；４５０ｎｍ
上記Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ：Ｃｅ３＋のほとんどの成分がカバーガラスとしてのガラス基板１１の成分と同じであり、この光活性イオン１５をドープしたものをガラス基板として作製すれば、材料投資、エネルギー投資を少なくすることが可能である。
【００５７】
紫外線−可視光変換物質として光活性イオンをドープしているのに対して、蛍光体微粒子をガラス基板中に混合させてもよい。蛍光体微粒子としては、下記（Ａ）〜（Ｇ）の一般式で表される物質の微粒子を用いることができる。
【００５８】
（Ａ）Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｇｄ２Ｏ３−ＢａＯ：Ｃｅ３＋
（Ｂ）ＣａＦ２：Ｅｕ２＋、もしくはＳｒＦ２：Ｅｕ２＋
（Ｃ）ＭｇＦ２：Ｅｕ２＋
（Ｄ）ＳｒＯ・Ａｌ２Ｏ３：Ｅｕ２＋
（Ｅ）１．２９（Ｂａ，Ｃａ）Ｏ・６Ａｌ２Ｏ３：Ｅｕ２＋、もしくは０．８２ＢａＯ・６Ａｌ
（Ｆ）ＢａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋
（Ｇ）ＭｇＦ２：Ｙｂ２＋
これら材料で構成された太陽電子素子によれば太陽光に含まれる紫外線を可視光に変更することができるので、エネルギー密度の高い可視光による受光が可能になり、通常の可視光及び赤外光の取り込みに加え、紫外線のエネルギーも可視光として取得できるため従来よりも発電効率を向上させることができる。また第２透明媒体３の表面が紫外線により変質することを防止することができるので、常に平坦な受光面を維持することができ、その結果、長期受光率の安定性を図ることができる。また透明樹脂を用いることで太陽電池素子１１自体の軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００５９】
また紫外線−可視光変換用蛍光ガラスの屈折率を第２透明樹脂基板１２の屈折率ｎ２に近く設定することによって、紫外線−可視光変換用蛍光ガラスと第１透明樹脂基板１３ａ、１３ｂを光学的には同体とみなすことができるので、紫外線から変換された可視光はほとんど反射損を受けずに第１透明樹脂基板１３ａ、１３ｂに導光され太陽電池１４ａ、１４ｂに集光される。紫外線−可視光変換用蛍光ガラス１５から発せられる蛍光のうち、空気層に逃げる量βは屈折率ｎ１により、次式（１４）により求められ、この式から約１５%の蛍光が空気層に伝播され蛍光色を与えることができる。
【数１０】
【００６０】
次に図８を参照して、上記太陽電池の電極の配線構造について説明する。図８（ａ）は太陽電池素子の斜視図であり、図８（ｂ）は電極部の拡大図である。
【００６１】
図８（ｂ）に示すように、第１透明媒体２ａ、２ｂの側面には透明電極４１と、この透明電極４１上に形成される結晶系シリコン又は非晶質シリコンからなるシリコン層４２と、更にこのシリコン層４２上に形成される金属電極４３で構成されている。
【００６２】
ここで結晶系シリコンとは、単結晶または多結晶のいずれのシリコン材料も含む総称であり、非晶質シリコンは、アモルファスシリコンを結晶成長させたものを指している。このシリコン層は透明電極４１と金属電極４３で挟持されており、図８（ｂ）に示すように各電極の短辺のうちいずれかの短辺に回り込むように電極が設けられている。これにより太陽電池素子の電極同士が接触するように直列配置させると、（透明電極４１の短辺側が隣接する太陽電池素子の金属電極４３の短辺と接続することとなり）太陽電池の直列接続が可能になる。従って、太陽電池素子をマトリクス状に集合配置させたときに外周に配置された太陽電池の電極からリード線を引き出すことにより各列ごとに電力を得ることができる。尚、隣接する透明電極４１と金属電極４３にそれぞれ凹形状の端子と凸形状の端子を設けておき、両電極が勘合する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の構成図である。
【図２】本発明の太陽電池素子を集合配置してなる太陽光発電装置の外観図である。
【図３】本発明の太陽電池素子の断面図である。
【図４】本発明の太陽電池素子に入射した太陽光の反射経路を示した光路図（日出又は日没時）である。
【図５】本発明の太陽電池素子に入射した太陽光の反射経路を示した光路図（正午時）である。
【図６】一般的な太陽電池素子の透過率特性及び反射率特性を示すグラフである。
【図７】本発明の太陽電池素子の太陽入射角に対する太陽電池への入射量を示したグラフである。
【図８】本発明の太陽電池素子の単位面積あたりの集光量を示したグラフである。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る太陽電池素子の断面図である。
【図１０】本発明の太陽電池素子の電極の積層構造を示した構造図である。
【図１１】従来の太陽電池素子の構造を示した構造図である（その１）。
【図１２】従来の太陽電池素子の構造を示した構造図である（その２）。
【図１３】地球の地軸変化に伴う太陽光の受光角度を示したイメージ図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…太陽電池素子
２ａ、２ｂ…第１透明媒体
３…第２透明媒体
４ａ、４ｂ…太陽電池
５…反射板
１１…太陽電池素子
１２…第２透明樹脂基板
１３ａ…第１透明樹脂基板
１４ａ…太陽電池
１５…可視光変換用蛍光ガラス（波長変換板）
４１…透明電極
４２…シリコン層
４３…金属電極
１０１…プリズム
１０１ａ、１０１ｂ…短辺側
１０１ｃ…底面
１０２…整合部材
１０３…太陽電池
１０４…ミラー
１１２…水
１１３…プリズム
１１４…ミラー
１１５…透明接着剤
１１６…太陽電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ字型の溝を備えた第１透明媒体と、
前記第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、前記溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、
前記Ｖ字型の溝の長手方向と同方向に設けられる前記第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、
前記第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、
前記Ｖ字型の溝の斜面と前記底面がなす角度δが４５°より小さいことを特徴とする太陽電池素子。
【請求項２】
前記第１及び第２透明媒体の材料が透明樹脂である場合において、
前記第２透明媒体の表面上に紫外線を可視光に変換する波長変換板を配置することを特徴とする請求項１記載の太陽電池素子。
【請求項３】
前記太陽電池は、
前記第１透明媒体の側面側に設けられる透明電極と、
前記透明電極上に形成される結晶系シリコン、又は非晶質シリコンからなるシリコン層と、
前記シリコン層上に形成される金属電極で構成され、
前記金属電極は、隣接配置される太陽電池の透明電極に直列接続されることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池素子。
【請求項４】
Ｖ字型の溝を有する第１透明媒体と、
前記第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、前記溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、
前記Ｖ字型の溝の斜面と同方向に位置する前記第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、
前記第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、
前記Ｖ字型の溝の斜面と前記底面がなす角度δが４５°より小さい太陽電池素子を複数個集合配置させてなることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項１】
Ｖ字型の溝を備えた第１透明媒体と、
前記第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、前記溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、
前記Ｖ字型の溝の長手方向と同方向に設けられる前記第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、
前記第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、
前記Ｖ字型の溝の斜面と前記底面がなす角度δが４５°より小さいことを特徴とする太陽電池素子。
【請求項２】
前記第１及び第２透明媒体の材料が透明樹脂である場合において、
前記第２透明媒体の表面上に紫外線を可視光に変換する波長変換板を配置することを特徴とする請求項１記載の太陽電池素子。
【請求項３】
前記太陽電池は、
前記第１透明媒体の側面側に設けられる透明電極と、
前記透明電極上に形成される結晶系シリコン、又は非晶質シリコンからなるシリコン層と、
前記シリコン層上に形成される金属電極で構成され、
前記金属電極は、隣接配置される太陽電池の透明電極に直列接続されることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池素子。
【請求項４】
Ｖ字型の溝を有する第１透明媒体と、
前記第１透明媒体の屈折より小さい屈折率を有し、前記溝を埋め込むように配置される第２透明媒体と、
前記Ｖ字型の溝の斜面と同方向に位置する前記第１透明媒体の側面に配置される太陽電池と、
前記第１透明媒体の底面に配置される反射板を備え、
前記Ｖ字型の溝の斜面と前記底面がなす角度δが４５°より小さい太陽電池素子を複数個集合配置させてなることを特徴とする太陽光発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２７４２３（Ｐ２００７−２７４２３Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０７６１９（Ｐ２００５−２０７６１９）
【出願日】平成１７年７月１５日（２００５．７．１５）
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人 電気通信大学 (383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１５日（２００５．７．１５）
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人 電気通信大学 (383)
【Ｆターム（参考）】
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