集光型太陽光発電装置
【課題】高い変換効率と高い耐候性とを兼ね備えた集光型太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】太陽光を集光するための集光装置１２と、太陽電池セル１４と、下端面が太陽電池セルに１４対向するように太陽電池セル１４の真上位置に立設され、集光装置１２により集光された太陽光を太陽電池セル１４へ導くためのホモジナイザー１６と、ホモジナイザー１６の下側の側面及び太陽電池セル１４を覆う封止材１８とを備え、ホモジナイザー１６が錐台形状を有する集光型太陽光発電装置において、ホモジナイザー１６の下側の側面に、光の反射率が０．９以上である材料からなる鏡面反射層２０を設ける。
【解決手段】太陽光を集光するための集光装置１２と、太陽電池セル１４と、下端面が太陽電池セルに１４対向するように太陽電池セル１４の真上位置に立設され、集光装置１２により集光された太陽光を太陽電池セル１４へ導くためのホモジナイザー１６と、ホモジナイザー１６の下側の側面及び太陽電池セル１４を覆う封止材１８とを備え、ホモジナイザー１６が錐台形状を有する集光型太陽光発電装置において、ホモジナイザー１６の下側の側面に、光の反射率が０．９以上である材料からなる鏡面反射層２０を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電装置に関し、さらに詳しくは、集光装置（一次光学系）により集光された高エネルギーの太陽光をホモジナイザー（二次光学系）で均一化し、均一化された太陽光を太陽電池セルに照射することによって発電を行う集光型太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置は、太陽光をそのまま太陽電池セルに照射する非集光型と、集光装置を用いて集光された太陽光を太陽電池セルに照射する集光型に大別される。これらの内、集光型太陽光発電装置は、太陽電池セルを小さくすることができるので、変換効率の良い高価なセルを使用しても電力製造コストに与える影響が小さい。そのため、集光型太陽光発電装置は、安価な電力を効率よく製造できるという利点がある。
【０００３】
集光装置によって集光された光は、中心部の強度が強く、周辺部の強度は弱い。このような光を直接、太陽電池セルに照射すると、高い発電効率は得られない。そのため、集光型太陽光発電装置においては、通常、太陽電池セルの真上にホモジナイザーと呼ばれる柱状又は錐台状（テーパ状）の光学部材が設けられる。ホモジナイザーは、集光装置により集光された高エネルギーの太陽光を側面で繰り返し全反射させることにより、光のエネルギーを均一化させるためのものである。ホモジナイザーには、一般に光透過性の高いガラスが用いられている。特に、汎用かつ安価で加工が容易であるという理由から、ホモジナイザーには、ほう珪酸塩ガラス、珪酸塩ガラスのようなナトリウム含有ガラスが用いられている。
【０００４】
また、太陽電池セルは、水分により劣化しやすい。例えば、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅに代表されるIII-V族化合物半導体は、結晶シリコン系半導体に比べて活性であるため、III-V族化合物半導体を用いた太陽電池セルは、水分による劣化が顕著である。また、太陽電池セルの表面には、一般に反射防止膜が設けられるが、反射防止膜が水分と接すると、反射防止膜が変質することがある。さらに、ホモジナイザーに含まれるナトリウムが結露した水分中に溶出し、ナトリウムイオンが水分と共に太陽電池セルに到達する場合がある。太陽電池セルに到達したナトリウムイオンは、太陽電池セルの表層の負電位に蓄積され、発電効率を劣化させる原因となる。そのため、集光型太陽光発電装置の耐久性を向上させるためには、太陽電池セルを水分から保護する必要がある。
【０００５】
このような太陽電池セルを水分から保護する方法に関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、柱状光学部材（ホモジナイザー）及びその下端面に対向する太陽電池セルを覆う封止樹脂（封止材）として、１０重量％以上のフッ素化シリコーン樹脂を含む材料を用いた集光型太陽光発電ユニットが開示されている。
同文献には、
（ａ）封止樹脂として１０重量％以上のフッ素化シリコーン樹脂を含む材料を用いると、フッ素化シリコーン樹脂の水蒸気低透過性によって水蒸気の侵入が抑制される点、及び、
（ｂ）ホモジナイザーの側面に、厚さが数十ｎｍ〜２０ｎｍ程度のフッ素樹脂（屈折率１．３４）からなり、保護部材又は撥水膜として機能する薄膜を形成しても良い点、
が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、柱状光学部材の下端面と太陽電池セルとの間に透明樹脂を介在させ、透明樹脂を太陽光から遮るための遮光部材を備えた集光型太陽光発電装置が開示されている。
同文献には、
（ａ）遮光部材によって透明樹脂の光劣化が抑制されるので、侵入する水分に起因する太陽電池の劣化が抑制される点、及び、
（ｂ）ホモジナイザーの側面に、厚さが数十ｎｍ〜２０ｎｍ程度のフッ素樹脂（屈折率１．３４）からなり、保護部材又は撥水膜として機能する薄膜を形成しても良い点、
が記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、ホモジナイザーの表面にフッ素樹脂製の薄膜を形成した集光型太陽光発電装置が開示されている。
同文献には、ホモジナイザーの表面にフッ素樹脂製の薄膜を形成すると、ホモジナイザー表面への水分の付着を抑制できる点、及び、これによってホモジナイザーからのＮａの溶出を抑制できる点が記載されている。
【０００８】
さらに、特許文献４には、太陽電池セルの水分からの保護を目的とするものではないが、ホモジナイザー表面にテクスチャリング加工を施した集光型太陽光発電装置が開示されている。
同文献には、ホモジナイザー表面にテクスチャリング加工を施すことによって、太陽電池セルの受光面における太陽光の照度のムラが抑制される点が記載されている。
【０００９】
太陽電池セルを保護するための封止樹脂や透明樹脂は、集光型太陽光発電装置の厳しい環境に曝されるため、耐熱性や耐候性が要求される。これらの材料には、現在、シリコン樹脂をベースとした材料が用いられている。シリコン樹脂は、一般的に耐候性は良いが、外界と接する部分での使用は過酷であるため、シリコン樹脂のみでは十分な耐候性が得られない。そのため、封止樹脂には、一般に、シリコン樹脂に耐候性を高めるためのフィラー（例えば、微粉ガラス）を添加した材料が用いられている。
【００１０】
この微粉ガラス入りシリコン樹脂の屈折率は約１．５であり、ホモジナイザーの屈折率（約１．６）に近い。ホモジナイザーの周囲をこのような相対的に屈折率の高い材料からなる封止材で覆うと、その部分の光の全反射の臨界角は、封止材で覆われていない部分の臨界角より大きくなる。
一方、ホモジナイザーの形状が、太陽電池セル側の断面積が小さい錐台状である場合、反射を繰り返す毎に光の入射角（反射面の法線方向と光の入射方向とのなす角）が小さくなる。そのため、ホモジナイザーの下側の側面を高屈折率材料で封止すると、ホモジナイザーの下側の側面近傍では、入射角が臨界角以下になる確率（すなわち、光が漏れる確率）が高くなる。
この問題を解決するために、封止材として、屈折率が相対的に小さな材料を用いることも考えられる。しかしながら、低屈折率で、かつ耐熱性及び耐候性に優れた材料は、知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２０１１０９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３８０９号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８５８１号公報
【特許文献４】特開２００６−３１３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、高い変換効率と高い耐候性とを兼ね備えた集光型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】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る集光型太陽光発電装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記集光型太陽光発電装置は、
太陽光を集光するための集光装置と、
太陽電池セルと、
下端面が前記太陽電池セルに対向するように前記太陽電池セルの真上位置に立設され、前記集光装置により集光された太陽光を前記太陽電池セルへ導くためのホモジナイザーと、
前記ホモジナイザーの下側の側面及び前記太陽電池セルを覆う封止材と、
光の反射率が０．９以上である材料からなり、前記ホモジナイザーの下側の側面を覆う鏡面反射層と
を備えている。
（２）前記ホモジナイザーは、前記集光装置側の断面積が前記太陽電池セル側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が１８０°の対称性を持つ。
（３）前記集光型太陽光発電装置は、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たす。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．２６ ・・・（ａ）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
ｈ／２≦Ｈ≦Ｂ／２ ・・・（ｂ）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
（４）前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さＨまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の２５％以上を被覆している。
【発明の効果】
【００１４】
錐台形状のホモジナイザーの下側の側面を高反射率材料からなる鏡面反射層で被覆すると、ホモジナイザーの下側の側面において入射角が臨界角以下になった場合であっても、ホモジナイザーの下側の側面からの光の漏れを抑制することができる。この効果は、集光装置からホモジナイザーに照射される光の最大入射角θmaxが大きくなるほど（すなわち、集光倍率が相対的に大きくなるほど）、大きくなる。しかも、高反射率材料は、一般に、耐熱性及び耐光性に優れているので、耐候性を低下させることなく、変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の概略断面図である。
【図２】鏡面反射層の高さＨと相対効率との関係を示す図である。
【図３】θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))と鏡面反射層高さＨ＝封止材高さｈであるときの相対効率との関係を示す図である。
【図４】鏡面反射層がＡｇ（反射率：０．９８）又はＡｌ（反射率：０．７０〜０．９５）である場合の鏡面反射層高さＨと相対効率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 集光型太陽光発電装置］
図１に、本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の概略断面図を示す。図１において、集光型太陽光発電装置１０は、集光装置１２と、太陽電池セル１４と、ホモジナイザー１６と、封止材１８と、鏡面反射層２０とを備えている。
【００１７】
［１．１． 集光装置］
集光装置１２は、太陽光を集光し、集光された太陽光を太陽電池セル１４に照射するためのもの（一次光学系）である。集光には、フレネルレンズのような集光レンズを使う方式と、凹面鏡のような集光反射鏡を使う方式が知られている。本発明においては、いずれの方式を用いても良い。
図１に示す例において、集光装置１２は、集光レンズからなる。集光レンズは、塵埃や汚れに強い、耐久性に優れる、放熱が容易である、等の利点がある。集光装置１２は、図示しない支持手段を用いて、太陽電池セル１４の上方に固定されている。
【００１８】
［１．２． 太陽電池セル］
太陽電池セル１４は、照射された光を電力に変換するためのセルである。本発明において、太陽電池セル１４の構造や、これを構成する材料は、特に限定されるものではなく、種々の構造及び材料からなるセルを用いることができる。
太陽電池セルは、一般に、裏面電極、光起電力効果を奏する半導体層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。半導体層の表面には、反射防止膜が形成される場合もある。半導体層としては、例えば、結晶シリコン、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅに代表されるIII-V族化合物半導体などが知られている。
【００１９】
太陽電池セル１４は、一般に、基板２２上に固定されるが、基板２２には、太陽電池セル１４による発電に必要な各種の構成要素が設けられる。図１において、図示は省略されているが、基板２２の上に、絶縁層及びプレートがこの順で形成され、プレートの上には、太陽電池セル１４がリード電極を介して固定されている。
【００２０】
基板２２は、太陽電池セル１４などの構成要素を支持するためのものである。基板２２の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。基板２２の材料としては、例えば、アルミニウム、銅などがある。集光装置１２は、基板２２に固定され、あるいは、基板２２が固定された枠（図示せず）に固定される。
【００２１】
絶縁層（図示せず）は、太陽電池セル１４の裏面電極（図示せず）に接続された一方のリード電極（図示せず）と、太陽電池セル１４の上部電極（図示せず）に接続された他方のリード電極（図示せず）を絶縁するためのものである。絶縁層には、各種の絶縁材料を用いることができる。絶縁層の材料としては、例えば、
（ａ）ガラス繊維、アルミナ粉などが分散した樹脂材料、
（ｂ）アルミナなどの高熱伝導率のセラミックス、
などがある。
【００２２】
プレート（図示せず）は、太陽電池セル１４の熱を放散させるため、及び、太陽電池セル１４を補強するためのものである。プレートは、絶縁層とリード電極の間に設けられている。プレートには、各種の高熱伝導材料を用いることができる。プレートの材料としては、例えば、アルミニウム、銅などがある。
【００２３】
［１．３． ホモジナイザー］
ホモジナイザー（二次光学系）１６は、集光装置１２により集光された太陽光を太陽電池セル１４に導くためのものである。また、ホモジナイザー１６は、導かれた光を側面で繰り返し全反射させることにより、光のエネルギーを均一化させるためのものでもある。ホモジナイザー１６は、その下端面が太陽電池セル１４に対向するように、太陽電池セル１４の真上位置に立設される。
【００２４】
［１．３．１． ホモジナイザーの形状］
本発明において、ホモジナイザー１６は、集光装置１２側の断面積が太陽電池セル１４側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が１８０°の対称性を持つものからなる。ホモジナイザー１６の断面の形状としては、具体的には、円形、四角形、六角形、八角形などがある。本発明において、ホモジナイザー１６の側面の角度（又は、ホモジナイザー１６が錐であると仮定したときの頂角）は、所定の条件を満たしている必要がある。この点については、後述する。
集光型太陽光発電装置１０は、太陽光を集光装置１２で曲げるため、太陽電池セル１４を常に太陽の方向に正確に向けておく必要がある。そのため、集光型太陽光発電装置１０は、一般に、太陽電池セル１４を太陽の方向に向けるための追尾装置を備えている。しかしながら、ホモジナイザー１６の形状が柱状である場合、追尾ズレが生じたときに変換効率が著しく低下する。これに対し、ホモジナイザー１６の形状を錐台状とすると、僅かな追尾ズレが生じても変換効率が大きく低下しないという利点がある。
【００２５】
［１．３．２． ホモジナイザーの材料］
ホモジナイザー１６には、光透過性の高い材料が用いられる。ホモジナイザー１６の材料としては、例えば、
（ａ）ほう珪酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラスなどのナトリウム含有ガラス、
（ｂ）アルミノケイ酸ガラス、ソーダカリバリウムガラス、
などがある。特に、ナトリウム含有ガラスは、安価で加工が容易であるため、ホモジナイザー１６の材料として好適である。
【００２６】
［１．３．３． 鏡面反射層以外の被膜］
ホモジナイザー１６の周囲には、後述する鏡面反射層２０以外に、必要に応じて各種の膜が形成されていても良い。
例えば、ホモジナイザー１６の上端面（光の入射面）には、反射防止膜が形成されていても良い。反射防止膜としては、例えば、
（ａ）アルミナとチタニアの多層構造からなるＴｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3反射防止膜、
（ｂ）フッ化マグネシウム層やフッ化カルシウム層からなる反射防止膜、
などがある。
【００２７】
また、ホモジナイザー１６と太陽電池セル１４の界面に、水分の侵入を防止するための保護膜を介在させても良い。
保護膜には、透光性が高く、かつ、耐熱性の高い材料を用いるのが好ましい。保護膜の材料としては、例えば、ゲル状のシリコーン樹脂、アクリル樹脂フィルム、などがある。
【００２８】
［１．３．４． 集光倍率とホモジナイザー形状との関係］
集光型太陽光発電装置１０は、集光倍率とホモジナイザー形状に関し、次の（ａ）式を満たしている必要がある。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．２６ ・・・（ａ）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
【００２９】
（ａ）式中、「最大入射角θmax」とは、ホモジナイザー１６の中心軸と、集光装置１２から入射する光の方向とのなす角の最大値をいう。
また、「tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))」は、ホモジナイザー１６の光の反射面とホモジナイザー１６の中心軸（上端面の中心を通る垂線）とのなす角、すなわちホモジナイザー１６の反射面の傾き角を表し、ホモジナイザー１６を錐と仮定したときの、頂角の２分の１の角度に相当する。
「上端面の長さＡ」とは、ホモジナイザー１６が円であるときは、上端面の直径を表し、ホモジナイザー１６が１８０°の対称性を持つ多角形であるときは、対向する面間の距離を表す。この点は、「下端面の長さＣ」も同様である。
一般に、ホモジナイザー１６の反射面の傾き角に対して、最大入射角θmaxが大きいとき（すなわち、集光倍率が相対的に大きいとき）は、ホモジナイザー１６の下側の側面において光の入射角が臨界角以下になる確率が高くなる。そのため、集光倍率が相対的に高い集光型太陽光発電装置１０に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。
このような効果を得るためには、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))は、０．２６以上である必要がある。θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))は、さらに好ましくは、０．４１以上である。
【００３０】
［１．４． 封止材］
封止材１８は、ホモジナイザー１６の下側の側面及び太陽電池セル１４の露出部分を覆うためのものである。封止材１８は、太陽電池セル１４への水の侵入を長期間に渡って防止する必要があるため、耐熱性及び耐候性の高い材料を用いる必要がある。封止材１８の材料としては、例えば、
（ａ）微粉ガラス入りシリコン樹脂、
（ｂ）高い熱伝導性及び光反射性を有する白色かつ不透明の無機材料粉末（例えば、炭酸カルシウム、酸化チタン、高純度アルミナ、高純度酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムなど）を充填した自己接着性ＲＴＶゴム、
（ｃ）（ｂ）の材料に、さらに１０重量％以上のフッ素化シリコン樹脂を添加した材料、
（ｄ）エポキシ樹脂、
などがある。
【００３１】
［１．５． 鏡面反射層］
［１．５．１． 鏡面反射層の材料］
鏡面反射層２０は、ホモジナイザー１６の下側の側面からの光の透過を防止するためのものであり、封止材１８とホモジナイザー１６との間に設けられている。換言すれば、鏡面反射層２０は、ホモジナイザー１６の下側の側面に設けられている。
集光装置１２からホモジナイザー１６に入射した光は、ホモジナイザー１６の側面で全反射を繰り返しながら、太陽電池セル１４に達する。しかしながら、ホモジナイザー１６の形状が錐台状である場合、ホモジナイザー１６の側面で反射を繰り返す毎に、光の入射角が小さくなる。その結果、ホモジナイザー１６の下側の側面では、光の入射角が臨界角以下となり、ホモジナイザー１６の外側に光が透過する確率が高くなる。鏡面反射層２０は、入射角が臨界角以下となった光を鏡面反射させるためのものである。
【００３２】
鏡面反射層２０の少なくともホモジナイザー１６側の表面には、光の反射率が０．９以上である材料（高反射率材料）が用いられる。高反射率材料は、コスト及び効率の点では、Ａｇ、Ａｌが好ましく、特にＡｇが好ましい。
【００３３】
［１．５．２． 鏡面反射層の構造］
鏡面反射層２０の構造は、特に限定されるものではなく、ホモジナイザー１６の内面において、光を鏡面反射できるものであればよい。
鏡面反射層２０としては、具体的には、
（１）ホモジナイザー１６の表面に形成された薄膜であって、薄膜全体が高反射率材料からなるもの（鏡面反射膜）、
（２）ホモジナイザー１６の表面に接触又は貼り付けられた板であって、板全体が高反射率材料からなるもの（鏡面反射板）、
（２）ホモジナイザー１６の表面に接触又は貼り付けられた板であって、ホモジナイザー１６と接する板の表面に高反射率材料からなる薄膜が形成されたもの（鏡面反射板）、
などがある。
【００３４】
［１．５．３． 鏡面反射層の高さ］
集光型太陽光発電装置１０は、鏡面反射層２０の高さＨに関し、次の（ｂ）式を満たしている必要がある。
ｈ／２≦Ｈ≦Ｂ／２ ・・・（ｂ）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
ここで、「封止材１８の高さｈ」とは、図１に示すように、ホモジナイザー１６の下面から封止材１８の上面までの長さをいう。封止材１８の高さが均一でないときは、「封止材１８の高さｈ」とは、鏡面反射層１８との界面における値をいう。
【００３５】
封止材１８には、太陽電池セル１４への水の侵入を防止することができ、かつ、耐熱性及び／又は耐候性を有する材料が用いられる。また、ホモジナイザー１６の下側の側面からの光の漏れを抑制するためには、封止材１８の屈折率は、低いほど良い。しかしながら、封止材１８の材料の耐候性と屈折率との間には相関があり、一般に、耐候性の高い材料ほど、屈折率が高くなる傾向がある。すなわち、低屈折率と高耐候性とを同時に満たし、かつ、太陽電池セル１４の封止材１８として使用可能な材料は、知られていない。そのため、封止材１８で覆われた部分においては、特に光が漏れやすくなる。
これに対し、ホモジナイザー１６の下側の側面を鏡面反射層２０で被覆すると、全反射の条件を満たさなくなった光を鏡面反射させることができる。高い変換効率を得るためには、鏡面反射層２０の高さＨは、ｈ／２以上である必要がある。鏡面反射層２０の高さＨは、さらに好ましくは、ｈ以上である。
【００３６】
一方、全反射と異なり、鏡面反射は、光の吸収を伴う。そのため、ホモジナイザー１６の表面の全体を鏡面反射層２０で被覆すると、かえって変換効率が低下する。従って、鏡面反射層２０の高さＨは、Ｂ／２以下である必要がある。鏡面反射層２０の高さＨは、さらに好ましくは、２Ｂ／５以下である。
【００３７】
［１．５．４． 鏡面反射層によるホモジナイザー表面の被覆率］
鏡面反射層２０は、ホモジナイザー１６の下端から高さＨまでの領域にあるホモジナイザー１６の側面の全部を被覆しているのが好ましいが、一部を被覆しているだけでも良い。一般に、鏡面反射層２０によるホモジナイザー１６の側面の被覆率が大きくなるほど、高い効率が得られる。ここで、「被覆率」とは、ホモジナイザー１６の下端から高さＨまでの領域にあるホモジナイザー１６の側面の全面積（Ｓ0）に対する鏡面反射層２０が形成されている領域の面積（Ｓ1）の割合（＝Ｓ1×１００／Ｓ0（％））をいう。
高い効率を得るためには、被覆率は、２５％以上である必要がある。被覆率は、さらに好ましくは、５０％以上、さらに好ましくは、７５％以上、さらに好ましくは、９０％以上である。
【００３８】
［２． 集光型太陽光発電装置の製造方法］
ホモジナイザー１６の表面に、直接、鏡面反射膜を形成する場合、鏡面反射膜の製造方法としては、例えば、蒸着法、スパッタ法、メッキ法などがある。適当な基板表面に鏡面反射膜を形成する場合も同様である。
また、鏡面反射層２０が鏡面反射板である場合、ホモジナイザー１６の表面に鏡面反射板を密着させるだけでも良く、あるいは、ホモジナイザー１６の表面に適当な接着剤を用いて鏡面反射板を貼り付けても良い。この場合、接着剤には、透明シリコーンを用いるのが好ましい。
【００３９】
ホモジナイザー１６表面に鏡面反射層２０を形成した後、ホモジナイザー１６の下側の端面を基板２２上に固定された太陽電池セル１４の表面に密着又は接着し、ホモジナイザー１６の下側の側面及び太陽電池セル１４を封止材１８で封止する。
さらに、集光装置１２を基板２２又は基板２２が固定された枠に固定すると、本発明に係る集光型太陽光発電装置１０が得られる。
【００４０】
［３． 集光型太陽光発電装置の作用］
錐台状のホモジナイザー１６と封止材１８が直接、接する状態の場合、ホモジナイザー１６に入ってきた光の一部がホモジナイザー１６と封止材１８の界面から外部に漏れだし、太陽電池セル１４の発電効率が低下していた。
これは、ホモジナイザー１６の屈折率ｎhと封止材１８の屈折率ｎfとの関係から説明できる。すなわち、スネルの法則により、光が全反射する条件は、
ｓｉｎθ＝ｎf／ｎh
と表せる。ここで、θは、光の入射角（反射面の法線方向と光の入射方向とのなす角）である。
例えば、ｎhが１．６である場合において、ｎfが１．５であるときには、θ＝６９．６°となる。また、ｎhが１．６である場合において、ｎfが１．３であるときには、θ＝５４．３°となる。すなわち、ホモジナイザー１６の屈折率ｎhと、ホモジナイザー１６と接する物質（空気や封止材１８）の屈折率の差が大きいほど、スネルの法則によりホモジナイザー１６内で光が全反射する確率が高くなり、発電効率が向上する。
【００４１】
一方、追尾型の集光型太陽光発電装置において追尾ズレによる発電効率の低下を抑制するためには、ホモジナイザー１６の形状を、光の入射面の面積が太陽電池セル１４側の面積より大きい錐台状とする必要がある。ホモジナイザー１６の形状が錐台状である場合、光がホモジナイザー１６内で全反射を繰り返すにつれて、光の入射角θが小さくなる。
ホモジナイザー１６を錐と仮定したときの錐の頂角をαとし、光がｋ回目及び（ｋ＋１）回目の反射をするときの入射角を、それぞれ、θk及びθk+1とすると、これらの間には、θk+1＝θk−αの関係がある。
そのため、ホモジナイザー１６の下側の側面を高屈折材料からなる封止材１８で封止すると、封止材１８近傍での光の入射角θｎが光の全反射の臨界角より小さくなり、光が封止材１８側へ漏れる場合がある。また、これによって、太陽電池セル１４に到達する光が減少し、発電効率が低下する。一方、これを避けるために封止材１８として低屈折率材料を用いると、封止材１８の耐候性が低下し、太陽電池セル１４が劣化しやすくなる。
【００４２】
これに対し、錐台形状のホモジナイザー１６の下側の側面を高反射率材料からなる鏡面反射層２０で被覆すると、ホモジナイザー１６の下側の側面において入射角が臨界角以下になった場合であっても、ホモジナイザー１６の下側の側面からの光の漏れを抑制することができる。この効果は、集光装置１２からホモジナイザー１６に照射される光の最大入射角θmaxが大きくなるほど（すなわち、集光倍率が相対的に大きくなるほど）、大きくなる。しかも、高反射率材料は、一般に、耐熱性及び耐光性に優れているので、耐候性を低下させることなく、変換効率を向上させることができる。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
［１． 装置の作製］
図１に示す構造を備えた集光型太陽光発電装置１０を作製した。ホモジナイザー１６には、屈折率ｎhが１．６であるナトリウム含有ガラスを用いた。封止材１８には、屈折率ｎfが１．５である微粉ガラス入りシリコン樹脂を用いた。鏡面反射層２０には、スパッタ法により形成されたＡｇ膜を用いた。Ａｇ膜の反射率は、０．９８であった。
ホモジナイザー１６の形状は、反射面の傾き角の異なる６種類の形状とし、集光装置１２の集光倍率（すなわち、最大入射角θmax）は、一定とした。
ホモジナイザー１６の高さＢは、封止材１８の厚さの５倍とした。鏡面反射層２０の高さＨは、封止材１８の高さｈの０倍〜４倍とした。さらに、太陽電池セル１４の個数は、合計２５０個とした。
【００４４】
［２． 試験方法］
ホモジナイザー１６に約６０ＳＵＮの光を当て、各太陽電池セル１４毎に、その時の発電効率を測定した。さらに、発電効率の平均値から相対効率を算出した。
ここで、「相対効率」とは、鏡面反射層２０の高さＨがゼロであるときの平均発電効率（η0）に対する、鏡面反射層２０の高さＨが所定の値であるときの平均発電効率（ηH）の比（＝ηH／η0）をいう。
【００４５】
［３． 結果］
［３．１． 相対効率］
図２に、鏡面反射層２０の高さＨと相対効率との関係を示す。また、図３に、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))と、Ｈ＝ｈのときの相対効率との関係を示す。
図２及び図３より、以下のことがわかる。
（１）鏡面反射層２０の高さＨが大きくなるほど、相対効率が向上する。
（２）鏡面反射層２０の高さＨが２ｈを超えると、相対効率は徐々に低下する。特に、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))が０．２６未満である場合において、鏡面反射層２０の高さＨがＢ／２を超えると、相対効率は、１未満となる。これは、ホモジナイザー１６の下端の側面からの光の漏れよりも、鏡面反射層２０による光の吸収の方が大きくなるためと考えられる。
【００４６】
（３）θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))が大きくなるほど（すなわち、集光倍率が相対的に大きくなるほど）、Ｈ＝ｈのときの相対効率は大きくなる。これは、集光倍率が相対的に大きくなるほど、ホモジナイザー１６の下側の側面において光が漏れやすくなるが、鏡面反射層２０を形成することによって、ホモジナイザー１６の下側の側面における光の漏れを低減できるためと考えられる。
（３）鏡面反射層２０による効果は、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))が０．４１以上のときにおいて、顕著に現れる。これは、相対的な集光倍率がある一定値を超えると光が漏れやすくなり、ロスが大きくなるが、鏡面反射層２０を設けることによって、光の漏れを低減できるためである。
【００４７】
（実施例２）
［１． 装置の作製］
スパッタ法によりホモジナイザー１６表面に、Ａｇ膜又はＡｌ膜からなる鏡面反射層２０を成膜した。また、鏡面反射層２０の高さＨは、封止材１８の高さｈの０倍〜３倍とした。その他の点は、実施例１と同様にして、集光型太陽光発電装置を作製した。成膜直後のＡｇ膜の反射率は、０．９８であり、Ａｌ膜の反射率は、０．９５であった。また、反射率の低いＡｌ膜は、成膜直後のＡｌ膜（反射率：０．９５）の表面を研磨することにより作製した。
［２． 試験方法］
実施例１と同様の手順に従い、相対効率を算出した。
【００４８】
［３． 結果］
図４に鏡面反射層高さＨと相対効率との関係を示す。図４より、以下のことがわかる。
（１）鏡面反射層としてＡｇ膜を用いた場合、及びＡｌ膜を用いた場合のいずれも、鏡面反射層２０の高さＨがｈの時に、相対効率が最大となる。
（２）Ａｌ膜に比べて、Ａｇ膜の方が相対効率が高い。これは、Ａｇの各波長ごとの反射率がＡｌとは異なるためである。
（３）鏡面反射層の反射率が０．９０未満になると、相対効率が著しく低下する。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る集光型太陽光発電装置は、工場や住宅に電力を供給するための発電装置として使用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 集光型太陽光発電装置
１２ 集光装置（一次光学系）
１４ 太陽電池セル
１６ ホモジナイザー（二次光学系）
１８ 封止材
２０ 鏡面反射層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電装置に関し、さらに詳しくは、集光装置（一次光学系）により集光された高エネルギーの太陽光をホモジナイザー（二次光学系）で均一化し、均一化された太陽光を太陽電池セルに照射することによって発電を行う集光型太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置は、太陽光をそのまま太陽電池セルに照射する非集光型と、集光装置を用いて集光された太陽光を太陽電池セルに照射する集光型に大別される。これらの内、集光型太陽光発電装置は、太陽電池セルを小さくすることができるので、変換効率の良い高価なセルを使用しても電力製造コストに与える影響が小さい。そのため、集光型太陽光発電装置は、安価な電力を効率よく製造できるという利点がある。
【０００３】
集光装置によって集光された光は、中心部の強度が強く、周辺部の強度は弱い。このような光を直接、太陽電池セルに照射すると、高い発電効率は得られない。そのため、集光型太陽光発電装置においては、通常、太陽電池セルの真上にホモジナイザーと呼ばれる柱状又は錐台状（テーパ状）の光学部材が設けられる。ホモジナイザーは、集光装置により集光された高エネルギーの太陽光を側面で繰り返し全反射させることにより、光のエネルギーを均一化させるためのものである。ホモジナイザーには、一般に光透過性の高いガラスが用いられている。特に、汎用かつ安価で加工が容易であるという理由から、ホモジナイザーには、ほう珪酸塩ガラス、珪酸塩ガラスのようなナトリウム含有ガラスが用いられている。
【０００４】
また、太陽電池セルは、水分により劣化しやすい。例えば、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅに代表されるIII-V族化合物半導体は、結晶シリコン系半導体に比べて活性であるため、III-V族化合物半導体を用いた太陽電池セルは、水分による劣化が顕著である。また、太陽電池セルの表面には、一般に反射防止膜が設けられるが、反射防止膜が水分と接すると、反射防止膜が変質することがある。さらに、ホモジナイザーに含まれるナトリウムが結露した水分中に溶出し、ナトリウムイオンが水分と共に太陽電池セルに到達する場合がある。太陽電池セルに到達したナトリウムイオンは、太陽電池セルの表層の負電位に蓄積され、発電効率を劣化させる原因となる。そのため、集光型太陽光発電装置の耐久性を向上させるためには、太陽電池セルを水分から保護する必要がある。
【０００５】
このような太陽電池セルを水分から保護する方法に関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、柱状光学部材（ホモジナイザー）及びその下端面に対向する太陽電池セルを覆う封止樹脂（封止材）として、１０重量％以上のフッ素化シリコーン樹脂を含む材料を用いた集光型太陽光発電ユニットが開示されている。
同文献には、
（ａ）封止樹脂として１０重量％以上のフッ素化シリコーン樹脂を含む材料を用いると、フッ素化シリコーン樹脂の水蒸気低透過性によって水蒸気の侵入が抑制される点、及び、
（ｂ）ホモジナイザーの側面に、厚さが数十ｎｍ〜２０ｎｍ程度のフッ素樹脂（屈折率１．３４）からなり、保護部材又は撥水膜として機能する薄膜を形成しても良い点、
が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、柱状光学部材の下端面と太陽電池セルとの間に透明樹脂を介在させ、透明樹脂を太陽光から遮るための遮光部材を備えた集光型太陽光発電装置が開示されている。
同文献には、
（ａ）遮光部材によって透明樹脂の光劣化が抑制されるので、侵入する水分に起因する太陽電池の劣化が抑制される点、及び、
（ｂ）ホモジナイザーの側面に、厚さが数十ｎｍ〜２０ｎｍ程度のフッ素樹脂（屈折率１．３４）からなり、保護部材又は撥水膜として機能する薄膜を形成しても良い点、
が記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、ホモジナイザーの表面にフッ素樹脂製の薄膜を形成した集光型太陽光発電装置が開示されている。
同文献には、ホモジナイザーの表面にフッ素樹脂製の薄膜を形成すると、ホモジナイザー表面への水分の付着を抑制できる点、及び、これによってホモジナイザーからのＮａの溶出を抑制できる点が記載されている。
【０００８】
さらに、特許文献４には、太陽電池セルの水分からの保護を目的とするものではないが、ホモジナイザー表面にテクスチャリング加工を施した集光型太陽光発電装置が開示されている。
同文献には、ホモジナイザー表面にテクスチャリング加工を施すことによって、太陽電池セルの受光面における太陽光の照度のムラが抑制される点が記載されている。
【０００９】
太陽電池セルを保護するための封止樹脂や透明樹脂は、集光型太陽光発電装置の厳しい環境に曝されるため、耐熱性や耐候性が要求される。これらの材料には、現在、シリコン樹脂をベースとした材料が用いられている。シリコン樹脂は、一般的に耐候性は良いが、外界と接する部分での使用は過酷であるため、シリコン樹脂のみでは十分な耐候性が得られない。そのため、封止樹脂には、一般に、シリコン樹脂に耐候性を高めるためのフィラー（例えば、微粉ガラス）を添加した材料が用いられている。
【００１０】
この微粉ガラス入りシリコン樹脂の屈折率は約１．５であり、ホモジナイザーの屈折率（約１．６）に近い。ホモジナイザーの周囲をこのような相対的に屈折率の高い材料からなる封止材で覆うと、その部分の光の全反射の臨界角は、封止材で覆われていない部分の臨界角より大きくなる。
一方、ホモジナイザーの形状が、太陽電池セル側の断面積が小さい錐台状である場合、反射を繰り返す毎に光の入射角（反射面の法線方向と光の入射方向とのなす角）が小さくなる。そのため、ホモジナイザーの下側の側面を高屈折率材料で封止すると、ホモジナイザーの下側の側面近傍では、入射角が臨界角以下になる確率（すなわち、光が漏れる確率）が高くなる。
この問題を解決するために、封止材として、屈折率が相対的に小さな材料を用いることも考えられる。しかしながら、低屈折率で、かつ耐熱性及び耐候性に優れた材料は、知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２０１１０９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３８０９号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８５８１号公報
【特許文献４】特開２００６−３１３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、高い変換効率と高い耐候性とを兼ね備えた集光型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】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る集光型太陽光発電装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記集光型太陽光発電装置は、
太陽光を集光するための集光装置と、
太陽電池セルと、
下端面が前記太陽電池セルに対向するように前記太陽電池セルの真上位置に立設され、前記集光装置により集光された太陽光を前記太陽電池セルへ導くためのホモジナイザーと、
前記ホモジナイザーの下側の側面及び前記太陽電池セルを覆う封止材と、
光の反射率が０．９以上である材料からなり、前記ホモジナイザーの下側の側面を覆う鏡面反射層と
を備えている。
（２）前記ホモジナイザーは、前記集光装置側の断面積が前記太陽電池セル側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が１８０°の対称性を持つ。
（３）前記集光型太陽光発電装置は、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たす。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．２６ ・・・（ａ）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
ｈ／２≦Ｈ≦Ｂ／２ ・・・（ｂ）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
（４）前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さＨまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の２５％以上を被覆している。
【発明の効果】
【００１４】
錐台形状のホモジナイザーの下側の側面を高反射率材料からなる鏡面反射層で被覆すると、ホモジナイザーの下側の側面において入射角が臨界角以下になった場合であっても、ホモジナイザーの下側の側面からの光の漏れを抑制することができる。この効果は、集光装置からホモジナイザーに照射される光の最大入射角θmaxが大きくなるほど（すなわち、集光倍率が相対的に大きくなるほど）、大きくなる。しかも、高反射率材料は、一般に、耐熱性及び耐光性に優れているので、耐候性を低下させることなく、変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の概略断面図である。
【図２】鏡面反射層の高さＨと相対効率との関係を示す図である。
【図３】θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))と鏡面反射層高さＨ＝封止材高さｈであるときの相対効率との関係を示す図である。
【図４】鏡面反射層がＡｇ（反射率：０．９８）又はＡｌ（反射率：０．７０〜０．９５）である場合の鏡面反射層高さＨと相対効率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 集光型太陽光発電装置］
図１に、本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の概略断面図を示す。図１において、集光型太陽光発電装置１０は、集光装置１２と、太陽電池セル１４と、ホモジナイザー１６と、封止材１８と、鏡面反射層２０とを備えている。
【００１７】
［１．１． 集光装置］
集光装置１２は、太陽光を集光し、集光された太陽光を太陽電池セル１４に照射するためのもの（一次光学系）である。集光には、フレネルレンズのような集光レンズを使う方式と、凹面鏡のような集光反射鏡を使う方式が知られている。本発明においては、いずれの方式を用いても良い。
図１に示す例において、集光装置１２は、集光レンズからなる。集光レンズは、塵埃や汚れに強い、耐久性に優れる、放熱が容易である、等の利点がある。集光装置１２は、図示しない支持手段を用いて、太陽電池セル１４の上方に固定されている。
【００１８】
［１．２． 太陽電池セル］
太陽電池セル１４は、照射された光を電力に変換するためのセルである。本発明において、太陽電池セル１４の構造や、これを構成する材料は、特に限定されるものではなく、種々の構造及び材料からなるセルを用いることができる。
太陽電池セルは、一般に、裏面電極、光起電力効果を奏する半導体層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。半導体層の表面には、反射防止膜が形成される場合もある。半導体層としては、例えば、結晶シリコン、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅに代表されるIII-V族化合物半導体などが知られている。
【００１９】
太陽電池セル１４は、一般に、基板２２上に固定されるが、基板２２には、太陽電池セル１４による発電に必要な各種の構成要素が設けられる。図１において、図示は省略されているが、基板２２の上に、絶縁層及びプレートがこの順で形成され、プレートの上には、太陽電池セル１４がリード電極を介して固定されている。
【００２０】
基板２２は、太陽電池セル１４などの構成要素を支持するためのものである。基板２２の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。基板２２の材料としては、例えば、アルミニウム、銅などがある。集光装置１２は、基板２２に固定され、あるいは、基板２２が固定された枠（図示せず）に固定される。
【００２１】
絶縁層（図示せず）は、太陽電池セル１４の裏面電極（図示せず）に接続された一方のリード電極（図示せず）と、太陽電池セル１４の上部電極（図示せず）に接続された他方のリード電極（図示せず）を絶縁するためのものである。絶縁層には、各種の絶縁材料を用いることができる。絶縁層の材料としては、例えば、
（ａ）ガラス繊維、アルミナ粉などが分散した樹脂材料、
（ｂ）アルミナなどの高熱伝導率のセラミックス、
などがある。
【００２２】
プレート（図示せず）は、太陽電池セル１４の熱を放散させるため、及び、太陽電池セル１４を補強するためのものである。プレートは、絶縁層とリード電極の間に設けられている。プレートには、各種の高熱伝導材料を用いることができる。プレートの材料としては、例えば、アルミニウム、銅などがある。
【００２３】
［１．３． ホモジナイザー］
ホモジナイザー（二次光学系）１６は、集光装置１２により集光された太陽光を太陽電池セル１４に導くためのものである。また、ホモジナイザー１６は、導かれた光を側面で繰り返し全反射させることにより、光のエネルギーを均一化させるためのものでもある。ホモジナイザー１６は、その下端面が太陽電池セル１４に対向するように、太陽電池セル１４の真上位置に立設される。
【００２４】
［１．３．１． ホモジナイザーの形状］
本発明において、ホモジナイザー１６は、集光装置１２側の断面積が太陽電池セル１４側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が１８０°の対称性を持つものからなる。ホモジナイザー１６の断面の形状としては、具体的には、円形、四角形、六角形、八角形などがある。本発明において、ホモジナイザー１６の側面の角度（又は、ホモジナイザー１６が錐であると仮定したときの頂角）は、所定の条件を満たしている必要がある。この点については、後述する。
集光型太陽光発電装置１０は、太陽光を集光装置１２で曲げるため、太陽電池セル１４を常に太陽の方向に正確に向けておく必要がある。そのため、集光型太陽光発電装置１０は、一般に、太陽電池セル１４を太陽の方向に向けるための追尾装置を備えている。しかしながら、ホモジナイザー１６の形状が柱状である場合、追尾ズレが生じたときに変換効率が著しく低下する。これに対し、ホモジナイザー１６の形状を錐台状とすると、僅かな追尾ズレが生じても変換効率が大きく低下しないという利点がある。
【００２５】
［１．３．２． ホモジナイザーの材料］
ホモジナイザー１６には、光透過性の高い材料が用いられる。ホモジナイザー１６の材料としては、例えば、
（ａ）ほう珪酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラスなどのナトリウム含有ガラス、
（ｂ）アルミノケイ酸ガラス、ソーダカリバリウムガラス、
などがある。特に、ナトリウム含有ガラスは、安価で加工が容易であるため、ホモジナイザー１６の材料として好適である。
【００２６】
［１．３．３． 鏡面反射層以外の被膜］
ホモジナイザー１６の周囲には、後述する鏡面反射層２０以外に、必要に応じて各種の膜が形成されていても良い。
例えば、ホモジナイザー１６の上端面（光の入射面）には、反射防止膜が形成されていても良い。反射防止膜としては、例えば、
（ａ）アルミナとチタニアの多層構造からなるＴｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3反射防止膜、
（ｂ）フッ化マグネシウム層やフッ化カルシウム層からなる反射防止膜、
などがある。
【００２７】
また、ホモジナイザー１６と太陽電池セル１４の界面に、水分の侵入を防止するための保護膜を介在させても良い。
保護膜には、透光性が高く、かつ、耐熱性の高い材料を用いるのが好ましい。保護膜の材料としては、例えば、ゲル状のシリコーン樹脂、アクリル樹脂フィルム、などがある。
【００２８】
［１．３．４． 集光倍率とホモジナイザー形状との関係］
集光型太陽光発電装置１０は、集光倍率とホモジナイザー形状に関し、次の（ａ）式を満たしている必要がある。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．２６ ・・・（ａ）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
【００２９】
（ａ）式中、「最大入射角θmax」とは、ホモジナイザー１６の中心軸と、集光装置１２から入射する光の方向とのなす角の最大値をいう。
また、「tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))」は、ホモジナイザー１６の光の反射面とホモジナイザー１６の中心軸（上端面の中心を通る垂線）とのなす角、すなわちホモジナイザー１６の反射面の傾き角を表し、ホモジナイザー１６を錐と仮定したときの、頂角の２分の１の角度に相当する。
「上端面の長さＡ」とは、ホモジナイザー１６が円であるときは、上端面の直径を表し、ホモジナイザー１６が１８０°の対称性を持つ多角形であるときは、対向する面間の距離を表す。この点は、「下端面の長さＣ」も同様である。
一般に、ホモジナイザー１６の反射面の傾き角に対して、最大入射角θmaxが大きいとき（すなわち、集光倍率が相対的に大きいとき）は、ホモジナイザー１６の下側の側面において光の入射角が臨界角以下になる確率が高くなる。そのため、集光倍率が相対的に高い集光型太陽光発電装置１０に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。
このような効果を得るためには、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))は、０．２６以上である必要がある。θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))は、さらに好ましくは、０．４１以上である。
【００３０】
［１．４． 封止材］
封止材１８は、ホモジナイザー１６の下側の側面及び太陽電池セル１４の露出部分を覆うためのものである。封止材１８は、太陽電池セル１４への水の侵入を長期間に渡って防止する必要があるため、耐熱性及び耐候性の高い材料を用いる必要がある。封止材１８の材料としては、例えば、
（ａ）微粉ガラス入りシリコン樹脂、
（ｂ）高い熱伝導性及び光反射性を有する白色かつ不透明の無機材料粉末（例えば、炭酸カルシウム、酸化チタン、高純度アルミナ、高純度酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムなど）を充填した自己接着性ＲＴＶゴム、
（ｃ）（ｂ）の材料に、さらに１０重量％以上のフッ素化シリコン樹脂を添加した材料、
（ｄ）エポキシ樹脂、
などがある。
【００３１】
［１．５． 鏡面反射層］
［１．５．１． 鏡面反射層の材料］
鏡面反射層２０は、ホモジナイザー１６の下側の側面からの光の透過を防止するためのものであり、封止材１８とホモジナイザー１６との間に設けられている。換言すれば、鏡面反射層２０は、ホモジナイザー１６の下側の側面に設けられている。
集光装置１２からホモジナイザー１６に入射した光は、ホモジナイザー１６の側面で全反射を繰り返しながら、太陽電池セル１４に達する。しかしながら、ホモジナイザー１６の形状が錐台状である場合、ホモジナイザー１６の側面で反射を繰り返す毎に、光の入射角が小さくなる。その結果、ホモジナイザー１６の下側の側面では、光の入射角が臨界角以下となり、ホモジナイザー１６の外側に光が透過する確率が高くなる。鏡面反射層２０は、入射角が臨界角以下となった光を鏡面反射させるためのものである。
【００３２】
鏡面反射層２０の少なくともホモジナイザー１６側の表面には、光の反射率が０．９以上である材料（高反射率材料）が用いられる。高反射率材料は、コスト及び効率の点では、Ａｇ、Ａｌが好ましく、特にＡｇが好ましい。
【００３３】
［１．５．２． 鏡面反射層の構造］
鏡面反射層２０の構造は、特に限定されるものではなく、ホモジナイザー１６の内面において、光を鏡面反射できるものであればよい。
鏡面反射層２０としては、具体的には、
（１）ホモジナイザー１６の表面に形成された薄膜であって、薄膜全体が高反射率材料からなるもの（鏡面反射膜）、
（２）ホモジナイザー１６の表面に接触又は貼り付けられた板であって、板全体が高反射率材料からなるもの（鏡面反射板）、
（２）ホモジナイザー１６の表面に接触又は貼り付けられた板であって、ホモジナイザー１６と接する板の表面に高反射率材料からなる薄膜が形成されたもの（鏡面反射板）、
などがある。
【００３４】
［１．５．３． 鏡面反射層の高さ］
集光型太陽光発電装置１０は、鏡面反射層２０の高さＨに関し、次の（ｂ）式を満たしている必要がある。
ｈ／２≦Ｈ≦Ｂ／２ ・・・（ｂ）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
ここで、「封止材１８の高さｈ」とは、図１に示すように、ホモジナイザー１６の下面から封止材１８の上面までの長さをいう。封止材１８の高さが均一でないときは、「封止材１８の高さｈ」とは、鏡面反射層１８との界面における値をいう。
【００３５】
封止材１８には、太陽電池セル１４への水の侵入を防止することができ、かつ、耐熱性及び／又は耐候性を有する材料が用いられる。また、ホモジナイザー１６の下側の側面からの光の漏れを抑制するためには、封止材１８の屈折率は、低いほど良い。しかしながら、封止材１８の材料の耐候性と屈折率との間には相関があり、一般に、耐候性の高い材料ほど、屈折率が高くなる傾向がある。すなわち、低屈折率と高耐候性とを同時に満たし、かつ、太陽電池セル１４の封止材１８として使用可能な材料は、知られていない。そのため、封止材１８で覆われた部分においては、特に光が漏れやすくなる。
これに対し、ホモジナイザー１６の下側の側面を鏡面反射層２０で被覆すると、全反射の条件を満たさなくなった光を鏡面反射させることができる。高い変換効率を得るためには、鏡面反射層２０の高さＨは、ｈ／２以上である必要がある。鏡面反射層２０の高さＨは、さらに好ましくは、ｈ以上である。
【００３６】
一方、全反射と異なり、鏡面反射は、光の吸収を伴う。そのため、ホモジナイザー１６の表面の全体を鏡面反射層２０で被覆すると、かえって変換効率が低下する。従って、鏡面反射層２０の高さＨは、Ｂ／２以下である必要がある。鏡面反射層２０の高さＨは、さらに好ましくは、２Ｂ／５以下である。
【００３７】
［１．５．４． 鏡面反射層によるホモジナイザー表面の被覆率］
鏡面反射層２０は、ホモジナイザー１６の下端から高さＨまでの領域にあるホモジナイザー１６の側面の全部を被覆しているのが好ましいが、一部を被覆しているだけでも良い。一般に、鏡面反射層２０によるホモジナイザー１６の側面の被覆率が大きくなるほど、高い効率が得られる。ここで、「被覆率」とは、ホモジナイザー１６の下端から高さＨまでの領域にあるホモジナイザー１６の側面の全面積（Ｓ0）に対する鏡面反射層２０が形成されている領域の面積（Ｓ1）の割合（＝Ｓ1×１００／Ｓ0（％））をいう。
高い効率を得るためには、被覆率は、２５％以上である必要がある。被覆率は、さらに好ましくは、５０％以上、さらに好ましくは、７５％以上、さらに好ましくは、９０％以上である。
【００３８】
［２． 集光型太陽光発電装置の製造方法］
ホモジナイザー１６の表面に、直接、鏡面反射膜を形成する場合、鏡面反射膜の製造方法としては、例えば、蒸着法、スパッタ法、メッキ法などがある。適当な基板表面に鏡面反射膜を形成する場合も同様である。
また、鏡面反射層２０が鏡面反射板である場合、ホモジナイザー１６の表面に鏡面反射板を密着させるだけでも良く、あるいは、ホモジナイザー１６の表面に適当な接着剤を用いて鏡面反射板を貼り付けても良い。この場合、接着剤には、透明シリコーンを用いるのが好ましい。
【００３９】
ホモジナイザー１６表面に鏡面反射層２０を形成した後、ホモジナイザー１６の下側の端面を基板２２上に固定された太陽電池セル１４の表面に密着又は接着し、ホモジナイザー１６の下側の側面及び太陽電池セル１４を封止材１８で封止する。
さらに、集光装置１２を基板２２又は基板２２が固定された枠に固定すると、本発明に係る集光型太陽光発電装置１０が得られる。
【００４０】
［３． 集光型太陽光発電装置の作用］
錐台状のホモジナイザー１６と封止材１８が直接、接する状態の場合、ホモジナイザー１６に入ってきた光の一部がホモジナイザー１６と封止材１８の界面から外部に漏れだし、太陽電池セル１４の発電効率が低下していた。
これは、ホモジナイザー１６の屈折率ｎhと封止材１８の屈折率ｎfとの関係から説明できる。すなわち、スネルの法則により、光が全反射する条件は、
ｓｉｎθ＝ｎf／ｎh
と表せる。ここで、θは、光の入射角（反射面の法線方向と光の入射方向とのなす角）である。
例えば、ｎhが１．６である場合において、ｎfが１．５であるときには、θ＝６９．６°となる。また、ｎhが１．６である場合において、ｎfが１．３であるときには、θ＝５４．３°となる。すなわち、ホモジナイザー１６の屈折率ｎhと、ホモジナイザー１６と接する物質（空気や封止材１８）の屈折率の差が大きいほど、スネルの法則によりホモジナイザー１６内で光が全反射する確率が高くなり、発電効率が向上する。
【００４１】
一方、追尾型の集光型太陽光発電装置において追尾ズレによる発電効率の低下を抑制するためには、ホモジナイザー１６の形状を、光の入射面の面積が太陽電池セル１４側の面積より大きい錐台状とする必要がある。ホモジナイザー１６の形状が錐台状である場合、光がホモジナイザー１６内で全反射を繰り返すにつれて、光の入射角θが小さくなる。
ホモジナイザー１６を錐と仮定したときの錐の頂角をαとし、光がｋ回目及び（ｋ＋１）回目の反射をするときの入射角を、それぞれ、θk及びθk+1とすると、これらの間には、θk+1＝θk−αの関係がある。
そのため、ホモジナイザー１６の下側の側面を高屈折材料からなる封止材１８で封止すると、封止材１８近傍での光の入射角θｎが光の全反射の臨界角より小さくなり、光が封止材１８側へ漏れる場合がある。また、これによって、太陽電池セル１４に到達する光が減少し、発電効率が低下する。一方、これを避けるために封止材１８として低屈折率材料を用いると、封止材１８の耐候性が低下し、太陽電池セル１４が劣化しやすくなる。
【００４２】
これに対し、錐台形状のホモジナイザー１６の下側の側面を高反射率材料からなる鏡面反射層２０で被覆すると、ホモジナイザー１６の下側の側面において入射角が臨界角以下になった場合であっても、ホモジナイザー１６の下側の側面からの光の漏れを抑制することができる。この効果は、集光装置１２からホモジナイザー１６に照射される光の最大入射角θmaxが大きくなるほど（すなわち、集光倍率が相対的に大きくなるほど）、大きくなる。しかも、高反射率材料は、一般に、耐熱性及び耐光性に優れているので、耐候性を低下させることなく、変換効率を向上させることができる。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
［１． 装置の作製］
図１に示す構造を備えた集光型太陽光発電装置１０を作製した。ホモジナイザー１６には、屈折率ｎhが１．６であるナトリウム含有ガラスを用いた。封止材１８には、屈折率ｎfが１．５である微粉ガラス入りシリコン樹脂を用いた。鏡面反射層２０には、スパッタ法により形成されたＡｇ膜を用いた。Ａｇ膜の反射率は、０．９８であった。
ホモジナイザー１６の形状は、反射面の傾き角の異なる６種類の形状とし、集光装置１２の集光倍率（すなわち、最大入射角θmax）は、一定とした。
ホモジナイザー１６の高さＢは、封止材１８の厚さの５倍とした。鏡面反射層２０の高さＨは、封止材１８の高さｈの０倍〜４倍とした。さらに、太陽電池セル１４の個数は、合計２５０個とした。
【００４４】
［２． 試験方法］
ホモジナイザー１６に約６０ＳＵＮの光を当て、各太陽電池セル１４毎に、その時の発電効率を測定した。さらに、発電効率の平均値から相対効率を算出した。
ここで、「相対効率」とは、鏡面反射層２０の高さＨがゼロであるときの平均発電効率（η0）に対する、鏡面反射層２０の高さＨが所定の値であるときの平均発電効率（ηH）の比（＝ηH／η0）をいう。
【００４５】
［３． 結果］
［３．１． 相対効率］
図２に、鏡面反射層２０の高さＨと相対効率との関係を示す。また、図３に、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))と、Ｈ＝ｈのときの相対効率との関係を示す。
図２及び図３より、以下のことがわかる。
（１）鏡面反射層２０の高さＨが大きくなるほど、相対効率が向上する。
（２）鏡面反射層２０の高さＨが２ｈを超えると、相対効率は徐々に低下する。特に、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))が０．２６未満である場合において、鏡面反射層２０の高さＨがＢ／２を超えると、相対効率は、１未満となる。これは、ホモジナイザー１６の下端の側面からの光の漏れよりも、鏡面反射層２０による光の吸収の方が大きくなるためと考えられる。
【００４６】
（３）θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))が大きくなるほど（すなわち、集光倍率が相対的に大きくなるほど）、Ｈ＝ｈのときの相対効率は大きくなる。これは、集光倍率が相対的に大きくなるほど、ホモジナイザー１６の下側の側面において光が漏れやすくなるが、鏡面反射層２０を形成することによって、ホモジナイザー１６の下側の側面における光の漏れを低減できるためと考えられる。
（３）鏡面反射層２０による効果は、θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))が０．４１以上のときにおいて、顕著に現れる。これは、相対的な集光倍率がある一定値を超えると光が漏れやすくなり、ロスが大きくなるが、鏡面反射層２０を設けることによって、光の漏れを低減できるためである。
【００４７】
（実施例２）
［１． 装置の作製］
スパッタ法によりホモジナイザー１６表面に、Ａｇ膜又はＡｌ膜からなる鏡面反射層２０を成膜した。また、鏡面反射層２０の高さＨは、封止材１８の高さｈの０倍〜３倍とした。その他の点は、実施例１と同様にして、集光型太陽光発電装置を作製した。成膜直後のＡｇ膜の反射率は、０．９８であり、Ａｌ膜の反射率は、０．９５であった。また、反射率の低いＡｌ膜は、成膜直後のＡｌ膜（反射率：０．９５）の表面を研磨することにより作製した。
［２． 試験方法］
実施例１と同様の手順に従い、相対効率を算出した。
【００４８】
［３． 結果］
図４に鏡面反射層高さＨと相対効率との関係を示す。図４より、以下のことがわかる。
（１）鏡面反射層としてＡｇ膜を用いた場合、及びＡｌ膜を用いた場合のいずれも、鏡面反射層２０の高さＨがｈの時に、相対効率が最大となる。
（２）Ａｌ膜に比べて、Ａｇ膜の方が相対効率が高い。これは、Ａｇの各波長ごとの反射率がＡｌとは異なるためである。
（３）鏡面反射層の反射率が０．９０未満になると、相対効率が著しく低下する。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る集光型太陽光発電装置は、工場や住宅に電力を供給するための発電装置として使用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 集光型太陽光発電装置
１２ 集光装置（一次光学系）
１４ 太陽電池セル
１６ ホモジナイザー（二次光学系）
１８ 封止材
２０ 鏡面反射層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた集光型太陽光発電装置。
（１）前記集光型太陽光発電装置は、
太陽光を集光するための集光装置と、
太陽電池セルと、
下端面が前記太陽電池セルに対向するように前記太陽電池セルの真上位置に立設され、前記集光装置により集光された太陽光を前記太陽電池セルへ導くためのホモジナイザーと、
前記ホモジナイザーの下側の側面及び前記太陽電池セルを覆う封止材と、
光の反射率が０．９以上である材料からなり、前記ホモジナイザーの下側の側面を覆う鏡面反射層と
を備えている。
（２）前記ホモジナイザーは、前記集光装置側の断面積が前記太陽電池セル側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が１８０°の対称性を持つ。
（３）前記集光型太陽光発電装置は、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たす。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．２６ ・・・（ａ）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
ｈ／２≦Ｈ≦Ｂ／２ ・・・（ｂ）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
（４）前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さＨまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の２５％以上を被覆している。
【請求項２】
次の（ａ'）式を満たす請求項１に記載の集光型太陽光発電装置。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．４１ ・・・（ａ'）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
【請求項３】
次の（ｂ'）式を満たす請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電装置。
ｈ≦Ｈ≦２Ｂ／５ ・・・（ｂ'）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
【請求項４】
前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さＨまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の９０％以上を被覆している請求項１から３までのいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
【請求項１】
以下の構成を備えた集光型太陽光発電装置。
（１）前記集光型太陽光発電装置は、
太陽光を集光するための集光装置と、
太陽電池セルと、
下端面が前記太陽電池セルに対向するように前記太陽電池セルの真上位置に立設され、前記集光装置により集光された太陽光を前記太陽電池セルへ導くためのホモジナイザーと、
前記ホモジナイザーの下側の側面及び前記太陽電池セルを覆う封止材と、
光の反射率が０．９以上である材料からなり、前記ホモジナイザーの下側の側面を覆う鏡面反射層と
を備えている。
（２）前記ホモジナイザーは、前記集光装置側の断面積が前記太陽電池セル側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が１８０°の対称性を持つ。
（３）前記集光型太陽光発電装置は、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たす。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．２６ ・・・（ａ）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
ｈ／２≦Ｈ≦Ｂ／２ ・・・（ｂ）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
（４）前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さＨまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の２５％以上を被覆している。
【請求項２】
次の（ａ'）式を満たす請求項１に記載の集光型太陽光発電装置。
θmax／tan-1(２Ｂ／(Ａ−Ｃ))≧０．４１ ・・・（ａ'）
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ、
Ａは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Ｃは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
【請求項３】
次の（ｂ'）式を満たす請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電装置。
ｈ≦Ｈ≦２Ｂ／５ ・・・（ｂ'）
但し、Ｈは、前記鏡面反射層の高さ、
ｈは、前記封止材の高さ、
Ｂは、前記ホモジナイザーの高さ。
【請求項４】
前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さＨまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の９０％以上を被覆している請求項１から３までのいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−２６３５３（Ｐ２０１３−２６３５３Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８３３６（Ｐ２０１１−１５８３３６）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【Ｆターム（参考）】
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