JP2011079696A

JP2011079696A - フレネルレンズ用ガラス

Info

Publication number: JP2011079696A
Application number: JP2009232600A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mitamura; 直樹三田村; Tatsuya Tsuzuki; 都築　　達也; Satoshi Hasegawa; 聡長谷川; Yasutaka Tsuda; 康孝津田; Hideaki Mori; 秀明森
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】集光式太陽電池に代表される装置に利用されるフレネルレンズに適した特性を持ち、かつ、ダイレクトプレス法又はリヒートプレス法による集光用パターンの形成を容易にできるフレネルレンズ用ガラスが求められている。
【解決手段】実質的に着色成分を含まず、モル％で表して、ＳｉＯ_２が５０〜７５、Ａｌ_２Ｏ_３が０〜１５、Ｂ_２Ｏ_３が０〜１５、Ｌｉ_２Ｏが１〜２５、Ｎａ_２Ｏが１〜２５、Ｋ_２Ｏが０〜２５、ＭｇＯが０〜１５、ＣａＯが０〜１５、ＳｒＯが０〜１５、ＢａＯが０〜１５、ＺｒＯ_２が０〜５、ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｂ_２Ｏ_３の合計が６０以上、Ｒ_２Ｏ（Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏから選択される１種以上の合計）が５〜３５、Ｒ’Ｏ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯから選択される１種以上の合計）が１〜２５、からなることを特徴とするフレネルレンズ用ガラス。
【選択図】なし

Description

本発明は、太陽電池の集光部材に代表されるフレネルレンズ用ガラスに関する。

現在、太陽光発電はクリーンエネルギーとして注目されている。太陽光発電に用いられている現在の主流はシリコン系太陽電池であるが、現在、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池も開発されつつある。このＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池は、幅広い波長域をエネルギー変換することが可能であり、シリコン系太陽電池よりも高い変換効率を持つことが特徴である。

しかしながら、１Ｗ（ワット）毎の発電コストはシリコン系よりも高価であり、そのため、レンズや鏡等による集光によって、高価な太陽電池セルの使用量を減らす事で、モジュール全体のコスト低減が試みられている。

このような太陽光発電装置における集光レンズとして、フレネルレンズが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
フレネルレンズは、凸レンズまたは凹レンズの傾斜面を同心円状または平行に並べた複数のプリズムによる不連続な傾斜面に置き換えることによりレンズの厚みを、傾斜を実現するのに必要最小限の厚みとして軽量かつコンパクトな平板状にしたレンズである。従来のフレネルレンズは、アクリル樹脂（例えば、特許文献２参照）またはシリコーンで集光用のパターンを形成し、透明な支持基盤に接合して作製されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６−２９０６６５号公報特開２００７−７９０８２号公報特開２００７−２７１８５７号公報

しかしながら、太陽電池は主に屋外で使用されるものであり、その材質によっては種々の不具合を起こす。

すなわち、特開２００７−７９０８２号公報に記載のもののように、アクリル樹脂を使用した場合、高い透湿性のため、空気中及び雨から水分を含み易く、その水分が外気温低下によって氷結され、クラックが入るなどの問題がある。

また、特開２００７−２７１８５７号公報に記載されているようなシリコーンの場合は、屈折率の温度依存性が高く、外気温の変化によって焦点距離が変化して発電効率が低下するといった問題がある。

そこで、現在、フレネルレンズには、上記問題が生じない材質、例えばガラスなどが望まれている。

本発明の目的は、集光式太陽電池に代表される装置に利用されるフレネルレンズに適した特性を持ち、かつ、ダイレクトプレス法又はリヒートプレス法による集光用パターンの形成を容易にできるフレネルレンズ用ガラスを提供することである。

本発明は、光学ガラスにおいて、実質的に着色成分を含まず、モル％で表して、ＳｉＯ_２が５０〜７５、Ａｌ_２Ｏ_３が０〜１５、Ｂ_２Ｏ_３が０〜１５、Ｌｉ_２Ｏが１〜２５、Ｎａ_２Ｏが１〜２５、Ｋ_２Ｏが０〜２５、ＭｇＯが０〜１５、ＣａＯが０〜１５、ＳｒＯが０〜１５、ＢａＯが０〜１５、ＺｒＯ_２が０〜５、ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｂ_２Ｏ_３の合計が６０以上、Ｒ_２Ｏ（Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏから選択される１種以上の合計）が５〜３５、Ｒ’Ｏ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯから選択される１種以上の合計）が１〜２５、
からなることを特徴とするフレネルレンズ用ガラスである。

また、日本光学硝子工業会規格ＪＯＧＩＳ０６‐１９９９「光学ガラスの化学的耐久性の測定方法（粉末法）」により測定するガラスの耐水性及び耐酸性が級１又は級２であることを特徴とする上記のフレネルレンズ用ガラスである。

また、波長ｄ＝５８７．６ｎｍにおける屈折率（ｎ_ｄ）が１．５０〜１．６０であることを特徴とする上記のフレネルレンズ用ガラスである。

また、種取温度（ガラスの粘度ηに対し、logη=３．０の時の温度）が１１５０℃以下、かつ、軟化点（Ｔs）が７２０℃以下であることを特徴とする上記のフレネルレンズ用ガラスである。

また、種取温度（ガラスの粘度ηに対し、logη=３．０の時の温度）−失透温度の値が５０℃以上であることを特徴とする上記のフレネルレンズ用ガラスである。

さらに、上記のフレネルレンズ用ガラスを、ダイレクトプレス法、又はリヒートプレス法により作製することを特徴とするフレネルレンズである。
さらにまた、上記のフレネルレンズ用ガラスを使用していることを特徴とする集光式太陽電池装置である。

本発明により、集光式太陽電池に代表される装置に利用されるフレネルレンズに適した特性を持ち、耐侯性に優れ、ダイレクトプレス法又はリヒートプレス法による集光用パターンのプレス形成を容易にできるフレネルレンズ用ガラスを得ることが出来る。

本発明は、モル％で表して、ＳｉＯ_２が５０〜７５、Ａｌ_２Ｏ_３が０〜１５、Ｂ_２Ｏ_３が０〜１５、Ｌｉ_２Ｏが１〜２５、Ｎａ_２Ｏが１〜２５、Ｋ_２Ｏが０〜２５、ＭｇＯが０〜１５、ＣａＯが０〜１５、ＳｒＯが０〜１５、ＢａＯが０〜１５、ＺｒＯ_２が０〜５からなることを特徴とするフレネルレンズ用ガラスである。

本発明の成分系において、ＳｉＯ_２はガラスの主成分であり、モル％において５０％未満ではガラスの耐水性または耐酸性を悪化させる。他方、７５％を超えるとガラスの粘性が高くなり、プレス成形が困難となる。従って５０〜７５％、好ましくは５２〜７３％、より好ましくは５５〜７０％の範囲とする。

Ａｌ_２Ｏ_３は、必須成分ではないが、耐水性または耐酸性を高める成分である。モル％において、１５％を超えるとガラスの粘性が高くなる上に、失透傾向が強くなり、プレス成形が困難になる。従って０〜１５％、好ましくは１〜１３％の範囲がよい。

Ｂ_２Ｏ_３は、必須成分ではないが、ガラスの粘性を低下させる。モル％において、１５％を超えるとガラス溶融時に揮発し易くなり、脈理の生成を助長してしまい、レンズとしての性能が低下する。また、耐水性及び耐酸性を悪化させる。従って０〜１５％、好ましくは０〜１３％、より好ましくは０〜１１％の範囲がよい。

上記範囲内において、ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｂ_２Ｏ_３の合計量をモル％において６０％以上とすることによって、ガラスの溶融性を良好な範囲に維持しつつ、耐水性および耐酸性に優れたガラスを得ることができる。合計量が６０％未満では、耐水性および耐酸性が悪化し、ヤケが生じ易くなり、ガラスの透過率が低下する。従って、６０％以上の範囲とする。

Ｌｉ_２Ｏは、必須成分であり、ガラス溶解時の融剤として作用し、またガラスの粘性を低下させる。モル％において、１％未満では上記作用を発揮し得ず、２５％を超えると失透温度が上昇し、作業性が悪くなる。また、耐水性及び耐酸性が悪化する。従って、１〜２５％、好ましくは１〜２２％、より好ましくは１〜２０％の範囲とする。

Ｎａ_２Ｏは、必須成分であり、Ｌｉ_２Ｏとともにガラス溶解時の融剤として作用し、またガラスの粘性を低下させる成分である。モル％において、１％未満では上記作用を発揮し得ず、２５％を超えると耐水性及び耐酸性が悪化する。従って、１〜２５％、好ましくは１〜２２％、より好ましくは１〜２０％の範囲とする。

Ｋ_２Ｏは、必須成分ではないが、Ｌｉ_２ＯやＮａ_２Ｏと同様の作用効果を示す成分である。モル％において、２５％を超えると耐水性及び耐酸性が悪化する。従って、０〜２５％、好ましくは０〜２２％、より好ましくは０〜２０％の範囲とする。

前記アルカリ成分Ｒ_２Ｏ（Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）の量に関して、モル％において５〜３５％にすることにより、ガラスの粘性、失透温度、耐水性及び耐酸性を適切な範囲にすることができる。５％未満だと、ガラスの粘性が高くなりプレス成形が困難となる。３５％を超えると耐水性及び耐酸性が悪化する。従って、５〜３５％、好ましくは５〜３２％、より好ましくは５〜３０％の範囲とする。

ＭｇＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げて、失透の発生を抑制する作用を有する。また、耐水性及び耐酸性を向上させる効果がある。モル％において１５％を超えると失透傾向が大きくため、０〜１５％、好ましくは０〜１４％、より好ましくは０〜１３％の範囲とする。

ＣａＯは、ＭｇＯとともにガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有するが、モル％において１５％を超えると失透傾向が大きくなる。従って０〜１５％、好ましくは０〜１４％、より好ましくは０〜１３％の範囲とする。

ＳｒＯは、ＭｇＯやＣａＯと同様に、ガラス融液の高温粘度を下げて失透の発生を抑制する作用を有する。モル％において１５％を超えると失透傾向が大きくため、０〜１５％、好ましくは０〜１４％、より好ましくは０〜１３％の範囲とする。
ＢａＯは、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯと同様に、ガラス融液の高温粘度を下げて失透の発生を抑制する作用を有する。また、耐水性及び耐酸性を向上させる効果がある。モル％において１５％を超えると失透傾向が大きくため、０〜１５％、好ましくは０〜１４％、より好ましくは０〜１３％の範囲とする。

前記アルカリ土類成分Ｒ’Ｏ（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）の量に関して、モル％において１〜２５％にすることにより、ガラスの粘性、失透温度、耐水性及び耐酸性を適切な範囲にすることができる。１％未満だと、前記効果が得られない。２５％を超えると耐水性及び耐酸性が悪化する。従って、１〜２５％、好ましくは１〜２３％の範囲とする。

ＺｒＯ_２は、ガラスの耐水性または耐酸性を向上させる効果を有するが、モル％において５％を超えるとガラスの粘性が高くなり、プレス成形が困難になる。また、失透傾向が著しく悪化する。従って、０〜５％、好ましくは０〜４％の範囲とする。

この他にも、一般的な酸化物で表すＺｎＯなどを上記性質を損なわない範囲で１％まで加えてもよい。

また、実質的にＦｅ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２等の着色成分を含有しない。ここで、実質的に含有しないとは、全く含有しないか、重量％で０．３未満の含有量であることをいう。

また、日本光学硝子工業会規格ＪＯＧＩＳ０６‐１９９９「光学ガラスの化学的耐久性の測定方法（粉末法）」により測定するガラスの耐水性及び耐酸性が級１又は級２であることを特徴とするフレネルレンズ用ガラスである。耐水性及び耐酸性が級２より悪いと、屋外での長期間使用時にガラス表面にヤケが生じる可能性が高く、好ましくない。

また、屈折率がｄ＝５８７．６ｎｍにおける屈折率（ｎ_ｄ）が１．５０〜１．６０であることを特徴とするフレネルレンズ用ガラスである。屈折率が１．６０を超えるとレンズと空気界面での反射が増大し集光効率の低下を招く。

また、種取温度（ガラスの粘度ηに対し、logη=３．０の時の温度）が１１５０℃以下、かつ、軟化点（Ｔs）が７２０℃以下であることを特徴とするフレネルレンズ用ガラスである。ダイレクトプレス法は、ガラス融液が種取温度になった際にプレス成形を行うため、種取温度が１１５０℃を超えるとプレス用の金型への負荷が大きくなり、金型の寿命を大きく縮めてしまう。他方、リヒートプレス法は、一度冷却したガラスを再加熱し、軟化点温度に達した際にプレス成形を行うため、軟化点が７２０℃を超えると、再加熱に必要なエネルギーが大きくなり、また、金型への負荷も大きくなる。

さらに、種取温度−失透温度の値が５０℃以上であることを特徴とするフレネルレンズ用ガラスである。上記差が５０℃より小さいと、ダイレクトプレス時にガラス融液を種取温度に維持した際に、ガラス融液中に結晶が析出し、製品の品質を悪化させる。

本発明のフレネルレンズ用ガラスは、ダイレクトプレス法（又はリヒートプレス）により集光用パターンを形成される。

本発明のフレネルレンズ用ガラスは、集光式太陽電池装置に対して好適に使用される。

以下、実施例に基づき、説明する。
本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜９）を表１に、比較例（試料Ｎｏ．１０〜１１）を表２に示す。

表中の各試料は次のようにして作製した。ＳｉＯ₂源として二酸化珪素を、Ａｌ_２Ｏ_３源として酸化アルミニウムを、Ｂ_２Ｏ_５源としてホウ酸を、Ｌｉ_２Ｏ源として炭酸リチウムを、Ｎａ_２Ｏ源として炭酸ナトリウムを、Ｋ_２Ｏ源として炭酸カリウムを、ＭｇＯ源として酸化マグネシウムを、ＣａＯ源として炭酸カルシウムを、ＳｒＯ源として炭酸ストロンチウムを、ＢａＯ源として炭酸バリウムを、ＺｒＯ_２源として酸化ジルコニウムを使用し、これらを表の組成となるべく調合したうえで、白金ルツボに投入し、電気加熱炉内で１３００〜１４５０℃、約６時間加熱溶融した。溶融ガラスを鋳型に流し込み、ブロック状とし、ガラス転移点以上に保持した電気炉内に移入して徐冷した。このようにして作製した各試料について、屈折率、種取温度（logη=３．０の時の温度）、軟化点（Ｔs）、失透温度、耐水性、耐酸性を評価した。

屈折率（ｎ_ｄ）は、ヘリウムランプのｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する測定値で示した。

種取温度は球引き上げ式粘度計（オプト企業社製）を用いて白金球引き上げ法により測定し、粘度ηに対して、logη=３．０の値を種取温度とした。

軟化点は、軟化点測定装置（東芝硝子（株）製）を用いてＪＩＳＲ３１０３−１の規定に基づく繊維伸張法により測定した。
失透温度は、２５℃ずつ温度傾斜の付いた炉内に試料を２時間放置し、失透の有無を目視して、失透がなくなる最低の温度とその一つ下の温度の平均を取ることで求めた。

耐水性及び耐酸性は、日本光学硝子工業会規格ＪＯＧＩＳ０６‐１９９９に基づき、評価した。

（結果）低融点ガラス組成および、各種試験結果を表に示す。

実施例であるＮｏ．１〜９の各試料は、各組成が適切な範囲であるため、屈折率、種取温度（logη=３．０）、軟化点、耐水性及び耐酸性が所望の範囲に入っていた。
これらに対して比較例であるＮｏ．１０〜１１の各試料は、各組成が適切な範囲でないため、比較例１０はガラスブロックを徐冷後に表面にヤケが発生し、また、比較例１１は、屈折率、耐水性及び耐酸性は所望の範囲に入ったものの、ガラスの粘性が高く、種取温度及び軟化点が所望の範囲より高くなっており、プレス成形には向かない。

Claims

光学ガラスにおいて、実質的に着色成分を含まず、モル％で表して、
ＳｉＯ_２が５０〜７５、
Ａｌ_２Ｏ_３が０〜１５、
Ｂ_２Ｏ_３が０〜１５、
Ｌｉ_２Ｏが１〜２５、
Ｎａ_２Ｏが１〜２５、
Ｋ_２Ｏが０〜２５、
ＭｇＯが０〜１５、
ＣａＯが０〜１５、
ＳｒＯが０〜１５、
ＢａＯが０〜１５、
ＺｒＯ_２が０〜５、
ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｂ_２Ｏ_３の合計が６０以上、
Ｒ_２Ｏ（Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏから選択される１種以上の合計）が５〜３５、
Ｒ’Ｏ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯから選択される１種以上の合計）が１〜２５、
からなることを特徴とするフレネルレンズ用ガラス。
日本光学硝子工業会規格ＪＯＧＩＳ０６‐１９９９「光学ガラスの化学的耐久性の測定方法（粉末法）」により測定するガラスの耐水性及び耐酸性が級１又は級２であることを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズ用ガラス。
波長ｄ＝５８７．６ｎｍにおける屈折率（ｎ_ｄ）が１．５０〜１．６０であることを特徴とする請求項１または２に記載のフレネルレンズ用ガラス。
種取温度（ガラスの粘度ηに対し、logη=３．０の時の温度）が１１５０℃以下、かつ、軟化点（Ｔs）が７２０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフレネルレンズ用ガラス。
種取温度（ガラスの粘度ηに対し、logη=３．０の時の温度）−失透温度の値が５０℃以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフレネルレンズ用ガラス。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフレネルレンズ用ガラスを、ダイレクトプレス法、又はリヒートプレス法により作製することを特徴とするフレネルレンズ。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフレネルレンズ用ガラスを使用していることを特徴とする集光式太陽電池装置。