JP2013211487A - 二次レンズ、太陽電池実装体、集光型太陽光発電ユニット及び集光型太陽光発電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】入射光を太陽電池セルの表面に効率よくかつ過度の集中を抑制した状態で導くことで、高い集光効率を実現する。
【解決手段】集光レンズからの集光束が入射される第１面１１と、に対向して集光レンズからの集光束を太陽電池セルに向けて出射する第２面１２とを有し、第１面１１に設けられた光学屈折面Ｈ２によって入射光を太陽電池セルに導く二次レンズ１０Ａであって、第１面１１の集光束の光軸２１に垂直な方向の断面積が、集光レンズ側から太陽電池セル側に近づくに従って単調増加するとともに、第１面１１の光軸に垂直な方向の面に対する傾斜角θが、集光レンズ側から太陽電池セル側に近づくに従って単調増加し、かつ、傾斜角θが単調増加する中で、傾斜角θが減少する変曲点１４ａを少なくとも１つ有する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、集光レンズで集光した光を太陽電池セルに照射する集光型太陽光発電モジュールに用いられる二次レンズ、及びこの二次レンズを搭載した太陽電池実装体、集光型太陽光発電ユニット並びに集光型太陽光発電モジュールに関する。

太陽エネルギーを電力に変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、変換効率（発電効率）をさらに改善して大電力を得るために、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池セルに照射して電力を取り出すタイプの集光型太陽光発電装置が実用化されている。

集光型太陽光発電装置は、太陽光を集光レンズで集光することから、太陽電池セルとしては、光学系で集光された太陽光を受光できる小さい受光面積を備えれば良い。つまり、集光レンズの受光面積より小さいサイズの太陽電池セルで良いことから、太陽電池セルのサイズを縮小することができ、太陽光発電装置において最も高価な構成物である太陽電池セルの占有量（使用量）を減らすことによりコストを低減することが可能となる。このような利点から、集光型太陽光発電装置は、広大な面積を利用して発電することが可能な地域などで、電力供給用に利用されつつある。

図９Ａ及び図９Ｂは、従来例としての集光型太陽光発電モジュールの一例を示す説明図であり、図９Ａは太陽光の入射面から見た概要を示す平面図、図９Ｂは図９ＡのＣ−Ｃ線断面図である。

従来例（例えば特許文献１参照）としての集光型太陽光発電装置１００では、１次集光光学系としてのフレネル型の集光レンズ１０２で太陽光（入射光）Ｌｃを屈折させ、その集光束を太陽電池セル１０３に照射しており、太陽電池セル１０３を保持するレシーバ基板１０４、レシーバ基板１０４を載置する保持プレート１０５、保持プレート１０５と集光レンズ１０２との間に配され、集光レンズ１０２を保持するモジュールフレーム１０６、太陽電池セル１０３を湿度等の環境から保護するための光透過性表面保護層１０７を備えている。

図９Ａ及び図９Ｂに示される従来例の集光型太陽光発電モジュール１００では、集光レンズ１０２で集光された光が光透過性表面保護層１０７を通して太陽電池セル１０３に直接照射される。この集光レンズ１０２で屈折される光はその波長成分によって、屈折される角度が異なるので、効率よく集光することが難しく、また集光効率を高めようとして集光レンズ１０２を単焦点レンズとした場合には、光が太陽電池セル１０３上に過度に集中することによって、太陽電池セル１０３や光透過性表面保護層１０７の長期信頼性や、太陽電池セル１０３の電気的特性のうち曲線因子（ＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ））の低下を招くという問題があった。また集光レンズ１０２からの光を直接、太陽電池セル１０３で受光するため、太陽光の入射角のずれや、集光レンズ１０２と太陽電池セル１０３との相対的な位置ずれが生じた場合には、太陽電池セル１０３の出力が低下しやすいという課題もあった。さらに、集光レンズ１０２はガラス成型で作成することも可能であるが、一般的には、加工性を考慮して、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）やシリコーン樹脂、ポリカーボネートなどの透光性樹脂材料が用いられるために温度によって屈折率が変化するので、周囲環境温度の変動によって太陽電池セル１０３に到達する光の量が変動し、出力が低下しやすいという課題もあった。

このような問題への解決策を提示している従来例として例えば特許文献２に示されている、二次ガラス付集光型太陽光発電装置が挙げられる。

図１０は別の従来例の二次ガラス付集光型太陽光発電モジュール１１０の一例を図示したものである。図１０に示された二次ガラス付集光型太陽光発電モジュール１１０は、図９Ａ及び図９Ｂに示された従来例の集光型太陽光発電モジュール１００に加え、ロッド型二次ガラス１０９を有している。これは、集光レンズ１０２で集光した光をロッド型二次ガラス１０９の上面で受けた後、ロッド型二次ガラス１０９の側面での全反射により光を導き、ロッド型二次ガラス１０９の下面を通して、太陽電池セル１０３に照射しようとするものである（図１１参照）。

このような場合、ロッド型二次ガラス１０９内を集光束が通過するに伴い、光のミキシング効果が得られるので色収差や強度ムラの少ない光がロッド型二次ガラス１０９から出射され、結果としてＦＦの向上が期待できる。また、ロッド型二次ガラス１０９の入射面は出射面よりも広くとられているので、太陽光の入射角のずれや、集光レンズ１０２とロッド型二次ガラス１０９との位置ずれなどに対する許容度が向上する効果も得られる。

特開２００３−１７４１８３号公報 特開２００６−３１３８０９号公報

しかしながら、上記効果を得るためには、ロッド型二次ガラス１０９は相応の光路、すなわち高さを必要とし、例えば、特許文献２では、高さ４０ｍｍのロッド型二次ガラス１０９が例示されている。その結果、ロッド型二次ガラス１０９は、部材コストが高くなるという課題があった。また、ロッド型二次ガラス１０９の中心と太陽電池セル１０３の中心とを正確に位置合わせした上で、光軸が中心を通るように、太陽電池セル１０３上にロッド型二次ガラス１０９を立てなければならず、そのために、保持用部材を必要としたり、製造時に過度の工数を必要としたりするなど、コスト面で複数の課題があった。さらに加えて、ロッド型二次ガラス１０９の透過率や全反射時の損失や、光学的な出射面と太陽電池セル１０３との間隙における損失、などが起因して太陽電池セル１０３の出力電流が低下するという課題もあった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、入射光を太陽電池セルの表面（セル面）に効率よくかつ過度の集中を抑制した状態で導くことができ、高い集光効率を実現することのできる二次レンズ、この二次レンズを搭載した太陽電池実装体、集光型太陽光発電ユニット及び集光型太陽光発電モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る二次レンズは、集光レンズで集光した光を太陽電池セルに照射する集光型太陽光発電モジュールに用いられ、前記集光レンズに対向して前記集光レンズからの集光束が入射される第１面と、前記太陽電池セルに対向して前記集光レンズからの集光束を出射する第２面とを有し、前記第１面に設けられた屈折面によって入射光を前記太陽電池セルに導く二次レンズであって、前記第１面の光軸に垂直な方向の断面積が、前記集光レンズ側から前記太陽電池セル側に近づくに従って単調増加するとともに、前記第１面の前記光軸に垂直な方向の面に対する傾斜角が、前記集光レンズ側から前記太陽電池セル側に近づくに従って単調増加し、かつ、前記傾斜角が単調増加する中で、前記傾斜角が減少する変曲点を少なくとも１つ有することを特徴としている。

上記構成によれば、ドーム形状の二次レンズの途中に傾斜が緩まる段差を設けることで、太陽電池セル表面に集光される光の集中を緩和することができる。すなわち、太陽電池セル表面に一様に光を照射することで、太陽電池セルの発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の二次レンズは、前記光軸方向から見た平面視において、前記変曲点を通る線が前記太陽電池セルの外側に位置していることを特徴としている。

変曲点を通る線（変曲線）を平面視において太陽電池セルの外側に位置させることで、太陽電池セル表面に集光される光の集中を緩和することができる。すなわち、太陽電池セル表面に一様に光を照射することで、太陽電池セルの発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の二次レンズは、前記第１面のうち前記集光レンズに対向する頂部から前記変曲点を通る線までの領域の前記光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状が、前記集光レンズの光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状と相似であることを特徴としている。

このように、第１面のうち集光レンズに対向する頂部から変曲点を通る線までの領域の光学屈折面の光軸に垂直な方向の断面形状を、集光レンズの光学屈折面の光軸に垂直な方向の断面形状と相似とすることで、集光レンズから出射された光を光軸方向に集中させるとともに、太陽電池セル表面に集光される光の集中を緩和することができる。すなわち、太陽電池セル表面に一様に光を照射することで、太陽電池セルの発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の二次レンズは、前記第１面のうち前記変曲点を通る線から前記第２面までの一部の領域の前記光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状が、前記集光レンズの光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状と非相似であることを特徴としている。

このように、第１面のうち変曲点を通る線から第２面までの一部の領域の光学屈折面の光軸に垂直な方向の断面形状を、集光レンズの光学屈折面の光軸に垂直な方向の断面形状と非相似とすることで、非相似部分の領域に入射した光を、平面視において光軸（光軸点）から離れる横方向に屈折させることができる。これにより、太陽電池セル表面に入射する光の分散と集中緩和の効果を得ることができるため、太陽電池セル表面に太陽光をより一様に照射することが可能となる。

また、本発明の二次レンズは、前記太陽電池セルは多接合型の太陽電池セルであり、前記第１面のうち前記変曲点を通る線から前記第２面までの領域が、短波長側に感度領域を有する太陽電池セルに対応する波長領域の光が入射しない構成とされている。ここで、「光が入射しない構成」とは、設計上そのような構成となっていることを意味しており、実際の使用環境によっては、周囲温度の変化や製造誤差等によって若干入射する場合もあるが、その程度の入射は許容範囲内と言える。すなわち、設計上、短波長域の光が入射する範囲よりも外側の位置に変曲点を形成している。これにより、短波長側に感度領域を有する太陽電池セルに対応する波長領域の光は、第１光学屈折面Ｈ２ａに入射し、第２光学屈折面Ｈ２ｂには入射しない（厳密に言えば、ほとんど入射しない）。従って、短波長側に感度領域を有する太陽電池セル表面に入射される波長領域の光を効率良く集光し、太陽電池セルに光を照射することができる。

また、本発明の二次レンズは、多接合型の太陽電池セルであって、前記集光レンズの端から出射して前記変曲点の上部近傍に入射した特定波長の光が前記光軸と交差した後に前記太陽電池セルに到達し、かつ、前記集光レンズの端から出射して前記変曲点の下部近傍に入射した特定波長の光が前記光軸と交差する前に前記太陽電池セルに到達するように、前記変曲点の高さ位置が設定されている。

このように、特定波長の光については、変曲点の高さ方向の前後で入射後の光の進行方向を、光軸を横切る方向と横切らない方向とに分散することで、太陽電池セル表面の中心部への光の集中を緩和するとともに、太陽電池セル表面に一様に光を照射することができるので、発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の二次レンズは、前記特定波長が、６５０〜９００ｎｍであることを特徴としている。この構成によれば、中波長域の光を、中波長域に感度領域を有する太陽電池セル表面への中心部への光の集中を緩和し、中波長域に感度領域を有する太陽電池セル表面に一様に光を照射することができるので、発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の二次レンズは、前記変曲点から前記太陽電池セルまでの距離が、前記第１面の頂点から前記太陽電池セルまでの距離の半分以上であることを特徴としている。

このように、変曲点から太陽電池セルまでの距離を、第１面の頂点から太陽電池セルまでの距離の半分以上とすることで、集光効率が低下する手前側（頂点側）に変曲点を設けることができる。これにより、変曲点から第２面までの領域に入射される光の集中を緩和でき、太陽電池セルの面上に一様に光を照射することができるので、発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の二次レンズは、前記第１面と前記第２面との間に、前記入射光を前記太陽電池セルに導く上で光学的に寄与しない中間領域部を有する構成としてもよい。

このように、二次レンズの第１面（入射部）と第２面（出射部）との間に、光学的に寄与しない中間領域部を設けることで、太陽電池セル及びレシーバ基板と二次レンズとを接着固定する際に、光透過性充填材が二次レンズの側面、すなわち中間領域部に付着したとしても太陽電池セルの出力特性に影響を及ぼすことがない。

また、本発明の二次レンズは、前記第１面の表面に表面反射を抑制するための反射防止膜が設けられた構成としてもよい。

この構成によって、二次レンズに入射するときの表面反射による損失を低減できるので、太陽電池セルの出力を向上させることができる。

また、本発明の太陽電池実装体は、集光レンズによって集光された光が入射される二次レンズと、前記二次レンズに対向して配置され前記二次レンズから出射された光を光電変換する太陽電池セルと、前記太陽電池セルが実装されたレシーバ基板とを備える太陽電池実装体であって、前記二次レンズは、上記構成の二次レンズであり、前記二次レンズと前記太陽電池セルとの間に透光性樹脂材料が充填された充填部を備えることを特徴としている。

本発明に係る太陽電池実装体は、二次レンズと太陽電池セルとの間に透光性樹脂材料が充填されて充填部とされ、二次レンズと太陽電池セルとの間での空気層を排除することから、二次レンズと空気層との界面での光の反射を抑制できるので、二次レンズから出射する光を効率良く太陽電池セルへ導くことで、集光効率を高め、結果として発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の集光型太陽光発電ユニットは、光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから入射された光を出射する二次レンズと、前記二次レンズから出射された光を光電変換する太陽電池セルとを備えた集光型太陽光発電ユニットであって、前記二次レンズは、上記構成の二次レンズであることを特徴としている。

本発明に係る集光型太陽光発電ユニットによれば、光軸付近で二次レンズに入射する光を効率良く集光し、また、光の過度の集中を緩和することができるので、太陽電池セルの集光効率（変換効率）を向上させることができる。

また、本発明の集光型太陽光発電モジュールは、上記構成の集光型太陽光発電ユニットを複数組み合わせて形成された集光型太陽光発電モジュールであって、前記集光型太陽光発電ユニットは、上記構成の集光型太陽光発電ユニットであることを特徴としている。

本発明の集光型太陽光発電モジュールによれば、太陽電池セルの発電効率（変換効率）を向上させることができる。

本発明の二次レンズによれば、二次レンズの途中に傾斜が緩まる段差を設けることで、太陽電池セル表面に集光される光の集中を緩和することができる。すなわち、太陽電池セル表面に一様に光を照射することで、太陽電池セルの発電効率（変換効率）を向上させることができる。

本発明の太陽電池実装体によれば、二次レンズと太陽電池セルとの間に透光性樹脂材料が充填されて充填部とされ、二次レンズと太陽電池との間での空気層を排除することから、二次レンズと空気層との界面での光の反射を抑制できるので、二次レンズから出射する光を効率良く太陽電池セルへ導くことで、集光効率を高め、結果として発電効率（変換効率）を向上させることができる。

本発明の集光型太陽光発電ユニットによれば、光軸付近で二次レンズに入射する光を効率良く集光し、また、光の過度の集中を緩和することができるので、太陽電池セルの発電光効率（変換効率）を向上させることができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュールによれば、太陽電池セルの発電効率（変換効率）を向上させることができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュールの構成を説明する概要図であり、太陽光の入射面から見た平面図である。 図１ＡのＢ−Ｂ線断面図である。 具体例１の二次レンズの形状を示す側面図である。 具体例１の二次レンズの形状を示す斜視図である。 集光レンズにより集光された太陽光が二次レンズに入射したときの太陽光の集光経路を示す説明図である。 比較例として、二次レンズを単純な略半球体の形状（ドーム形状）とした場合の太陽光の集光経路を示す説明図である。 太陽電池セル表面の光強度分布を３次元的に示す説明図である。 太陽電池セル表面の光強度分布を３次元的に示す説明図である。 トップセルに対応する短波長域の光が二次レンズに入射したときの光の集光経路を示す説明図である。 ミドルセルに対応する中波長域の光が二次レンズに入射したときの光の集光経路を示す説明図である。 距離Ｄ１を距離Ｄ２の半分以上とした場合と、半分以下とした場合との集光効率のシミュレーション結果を示す図表である。 具体例２の二次レンズの形状を示す斜視図である。 具体例２の二次レンズの形状を示す平面図である。 具体例２の二次レンズを矢符Ｘ１方向から見た形状を示す側面図である。 具体例２の二次レンズを矢符Ｘ２方向から見た形状を示す側面図である。 具体例１の二次レンズの第２光学屈折面に入射する太陽光の進行方向を示す説明図である。 具体例２の二次レンズの第２光学屈折面に入射する太陽光の進行方向を示す説明図である。 従来例としての集光型太陽光発電モジュールの一例を示す説明図であり、太陽光の入射面から見た概要を示す平面図である。 図９ＡのＣ−Ｃ線断面図である。 別の従来例の二次ガラス付集光型太陽光発電モジュールの一例を示す断面図である。 図１０に示すロッド型二次ガラスによる集光及び屈折の状態を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の集光型太陽光発電モジュールの構成を説明する概要図であり、図１Ａは太陽光Ｌｃの入射面から見た平面図、図１Ｂは図１ＡのＢ−Ｂ線断面図である。また、図２Ａ及び図２Ｂは、具体例１に係る二次レンズの形状を示し、図２Ａは側面図、図２Ｂは斜視図である。ただし、図２Ａの斜線は、後述する入射部の光学屈折面の領域を示している。

集光型太陽光発電モジュール１は、一次光学系である集光レンズ２、二次光学系である具体例１の二次レンズ１０Ａ、及び太陽電池セル３を一組として配置した集光型太陽光発電ユニット（以下、単にユニットともいう。）が、複数組配列されて構成されており、必要な電流と電圧を得るために、個々の太陽電池セルが適当な数だけ電気的に接続されている。１つのユニットは数十ｍｍから数百ｍｍの大きさである。

太陽電池セル３は、レシーバ基板４に搭載されている。保持プレート５は、レシーバ基板４を保持し、集光レンズ２と対向している。モジュールフレーム６は、集光レンズ２の光軸（集光型太陽光発電モジュール１の受光面である集光レンズ２に垂直な方向すなわち光学系の光軸）２１上に太陽電池セル３が配置されるように、集光レンズ２と保持プレート５とを保持している。

二次レンズ１０Ａは、太陽電池セル３の中央上部に搭載され、集光レンズ２で集光された太陽光Ｌｃを屈折させて太陽電池セル３に照射させる。

光透過性充填材７は、太陽電池セル３と二次レンズ１０Ａとの間に充填され、太陽電池セル３と、レシーバ基板４と、二次レンズ１０Ａとを固着する充填部とされている。すなわち、二次レンズ１０Ａと、太陽電池セル３と、レシーバ基板４と、透光性樹脂材料７とによって太陽電池実装体を構成している。

出力ケーブル８は、太陽電池セル３の出力を取り出すものである。

遮光板９は、太陽光Ｌｃが集光レンズ２で集光されその集光された太陽光（集光束）Ｌｃが出力ケーブル８やレシーバ基板４など、不要な場所に照射されないように遮光するものである。

太陽光Ｌｃは、光軸２１と平行な方向から入射し、集光レンズ２により屈折されて、太陽電池セル３の方向へと集光される。

集光レンズ２は、太陽光Ｌｃを光軸２１に向けて集光するように屈折する面が光学屈折面Ｈ１となる。また、集光レンズ２は、薄肉化による軽量化及び材料コストの低減、集光倍率の向上、ならびに成型の加工性を考慮して、本実施形態では同心円状のフレネルレンズとしている。この集光レンズ２を四角形に形成するとともにその４個を縦横に並べてモジュールフレーム６に保持させている。

集光レンズ２の材料としては、例えば、シリコーン樹脂が用いられる。ただし、集光レンズ２の材料には様々な透光性材料を用いることが可能であり、具体的には、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂や、ポリカーボネート、ガラスなどを用いることができる。

太陽電池セル３としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅ等からなる無機太陽電池セルや、色素増感型太陽電池セル等の有機太陽電池セルが用いられる。また、太陽電池セルの構造は、単一接合型セルや、モノリシック多接合型セルや、感度領域の異なる種々太陽電池セルを繋げたメカニカルスタックセル等が用いられる。ただし、集光型太陽光発電モジュールとしては、高効率性が特に求められることから、多接合型の太陽電池セル（例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池セル）や、メカニカルスタックセルの使用が好ましい。本実施形態では、３接合型太陽電池セルを使用している。また、太陽電池セル３の外形サイズは、集光モジュールのひとつの目的である使用太陽電池材料の削減の観点から、できるだけ小さくする必要があり、数ｍｍから２０ｍｍ程度のものが使用される。

二次レンズ１０Ａは、集光レンズ２に対向して集光レンズ２からの集光束が入射光として入射する第１面を有する入射部１１と、太陽電池セル３に対向して集光レンズ２から入射した集光束の入射光を出射させる第２面を有する出射部１２（図２Ａ参照）とを備え、入射部１１への入射光を出射部１２より出射させて太陽電池セル３に導く。このときの入射光の入射部１１に入る面が光学屈折面Ｈ２（図２Ａ参照）である。この二次レンズ１０Ａは、上記したように、太陽電池セル３の上面に光透過性充填材７を介して、太陽電池セル３及びレシーバ基板４と一体に接着固定されている。

二次レンズ１０Ａの入射部１１と出射部１２との間には、光学的に寄与しない中間領域部１３が設けられているので、太陽電池セル３及びレシーバ基板４と二次レンズ１０Ａとを接着固定する際に、光透過性充填材７が二次レンズ１０Ａの側面、すなわち中間領域部１３に付着したとしても太陽電池セル３の出力特性には何ら影響しない。また同様に、二次レンズ１０Ａを太陽電池セル３や光軸２１に対して正確に位置合わせを行うために、ここではその具体的な構造については例示しないが、冶具やその他適当な部材を用いる場合にも、それらを中間領域部１３に当接させて使用すればよい。これにより集光型太陽光発電モジュールの製造工程を簡略化することができ、より安価かつ確実に集光型太陽光発電モジュールの組付けを行うことができる。

なお、二次レンズ１０Ａの材料としては、太陽電池セル３の感度波長領域において高い透過率を有し、耐候性を有するものが良く、例えば、ガラスや、アクリル、ポリカーボネート等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、これら材料の複数層からなるものでもよい。また、これら材料の中には、集光型太陽光発電モジュール内部の材料の紫外線劣化や、二次レンズ１０Ａの紫外線劣化を防ぐ目的で、適当な紫外線吸収剤を添加することも可能である。また、太陽電池セル３の感度波長領域での光反射率の低減のために、適当な反射防止膜等を設けることができる。これにより、二次レンズ１０Ａの表面での反射損失を低減することができるので、太陽電池セル３の出力を向上させることができる。このように反射防止膜によって表面反射を十分低減できる場合には、二次レンズ１０Ａの材料として高屈折率材料を用いることができる。さらに、太陽電池セル３の感度波長領域以外の波長の光を反射するＵＶ反射膜や、赤外線反射膜等を設けることも可能である。

ここで、具体例１の二次レンズ１０Ａについて、図２Ａ及び図２Ｂを参照してさらに詳しく説明する。

具体例１の二次レンズ１０Ａは、は、入射部１１の光軸２１に垂直な方向の断面積が、集光レンズ２側（図２Ａ及び図２Ｂにおいて上側）から太陽電池セル３側（図２Ａ及び図２Ｂにおいて下側）に近づくに従って単調増加するとともに、光軸２１に垂直な方向の面Ｆに対する入射部１１の光学屈折面Ｈ２の傾斜角θが、集光レンズ２側から太陽電池セル３側に近づくに従って単調増加し、かつ、傾斜角θが単調増加する中で、傾斜角θが減少する（緩やかになる）変曲点１４ａ（すなわち、光軸２１方向から見た平面視において、変曲点１４ａを通る変曲線１４）を少なくとも１つ有する構成とされている。具体例１では、変曲点１４ａ（変曲線１４）は１つとしている。すなわち、具体例１では、入射部１１は、略半球体を上下に２段重ねした形状（若しくは、略半球体の高さ方向の途中を１段内側に絞り込んだ形状）としている。ここで、以下の説明において、変曲線１４より上側（集光レンズ２側）の入射部１１の光学屈折面を第１光学屈折面Ｈ２ａ、変曲線１４より下側（太陽電池セル３側）の入射部１１の光学屈折面を第２光学屈折面Ｈ２ｂとする。

この構成によれば、第１光学屈折面Ｈ２ａ及び第２光学屈折面Ｈ２ｂは、光軸２１に垂直な方向の断面形状が円形状となり、集光レンズ２の光軸２１に垂直な方向の断面形状と相似形を成している。

このように、第１光学屈折面Ｈ２ａ及び第２光学屈折面Ｈ２ｂの光軸２１に垂直な方向の断面形状を、集光レンズ２の光学屈折面Ｈ１の光軸２１に垂直な方向の断面形状と相似とすることで、太陽電池セル３表面の集光効率を向上させることができる。

図３Ａは、集光レンズ２により集光された太陽光Ｌｃが二次レンズ１０Ａに入射したときの太陽光の集光経路を示している。また、図３Ｂは、比較のために、二次レンズを単純な略半球体の形状（ドーム形状）とした場合（以下、比較例の二次レンズという。）の太陽光の集光経路を示している。

具体例１の二次レンズ１０Ａでは、図３Ａに示すように、第１光学屈折面Ｈ２ａに入射した太陽光Ｌｃは、そのほぼ全てが太陽電池セル３の表面に到達する一方、第２光学屈折面Ｈ２ｂに入射した太陽光Ｌｃは、変曲線１４の近傍で光学屈折面の傾斜が緩やかになっている分、より太陽電池セル３の中心部側に屈折されるため、第２光学屈折面Ｈ２ｂの比較的外側に入射した太陽光Ｌｃ１も、太陽電池セル３の端に到達している。その結果、太陽電池セル３の表面（セル面）内の光強度分布を３次元的に示す図４Ａに示すように、太陽電池セル３の表面内に到達する太陽光Ｌｃ、太陽電池セル３の表面内において集中が緩和され、ほぼ一様に到達している。この例では、具体例１の二次レンズ１０Ａを用いた場合の光強度分布の最大値は２０を若干超えた程度となっている。

これに対し、比較例の二次レンズでは、図３Ｂに示すように、具体例１の第２光学屈折面Ｈ２ｂに相当するレンズ下部側に入射した太陽光Ｌｃ１は、入射面の高さが足りないために光路長が確保できず、太陽電池セル３には到達しない。一方、変曲線１４が無い分、変曲線１４の下部近傍に相当するレンズ面に入射する太陽光Ｌｃ２も、光軸中心の近傍に向かう傾向にある。その結果、太陽電池セル３の表面内の光強度分布を３次元的に示す図４Ｂに示すように、太陽電池セル３の表面内に到達する太陽光Ｌｃの光強度分布は、太陽電池セル３の中央部が高くなっている。この例では、比較例の二次レンズを用いた場合の光強度分布の最大値は３０を若干超えた程度となっている。この傾向は、太陽電池セル３として多接合型（例えば、３接合型）の太陽電池セルを用いた場合の中〜長波長域の光を集光した場合により顕著に現れる。つまり、具体例１の二次レンズ１０Ａを用いることによって、太陽電池セル３の表面内の光強度分布の最大値を、比較例の二次レンズを用いた場合の約３分の２に低減できるとともに、太陽電池セル３の表面内に到達する太陽光Ｌｃを表面内においてほぼ一様に分布していることが分かる。

すなわち、具体例１では、二次レンズ１０Ａの全体をドーム形状とし、このドーム形状の高さ方向の途中に傾斜が緩まる段差（変曲点１４ａ）を設けることで、太陽電池セル３の表面に集光される光の集中を緩和（分散）し、太陽電池セル３の表面に一様に光を照射することができる。すなわち、本発明の二次レンズ１０Ａを集光型太陽光発電モジュール１に使用することで、太陽電池セル３の発電効率（変換効率）を向上させることができる。

また、具体例１の二次レンズ１０Ａでは、変曲点１４ａを通る変曲線１４は、光軸方向から見た平面視において、対向する太陽電池セル３の外側に位置するように形成することが望ましい。

このように、変曲点１４ａを通る変曲線１４を平面視において太陽電池セル３の外側に位置させることで、上記したように、第２光学屈折面Ｈ２ｂの比較的外側に入射した太陽光Ｌｃ１を、太陽電池セル３の表面の端に到達させることができるので、太陽電池セル３の表面に一様に光を照射することができる。

また、具体例１の二次レンズ１０Ａでは、二次レンズの頂部１１ａから変曲点１４ａ（変曲線１４）までの領域である第１光学屈折面Ｈ２ａの光軸に垂直な方向の断面形状が、集光レンズ２の光学屈折面Ｈ１の光軸に垂直な方向の断面形状と相似としている。すなわち、本実施形態では、集光レンズ２を同心円状のフレネルレンズとしていることから、集光レンズ２の光学屈折面Ｈ１の光軸に垂直な方向の断面形状は円形状であり、二次レンズ１０Ａも、第１光学屈折面Ｈ２ａの光軸に垂直な方向の断面形状を円形状としている。

このように、第１光学屈折面Ｈ２ａの光軸２１に垂直な方向の断面形状を、集光レンズ２の光学屈折面Ｈ１の光軸２１に垂直な方向の断面形状と相似の形状とすることにより、集光レンズ２から出射された太陽光Ｌｃを光軸２１方向に集中させる（すなわち、太陽電池セル３の表面に集中させる）一方で、光学屈折面Ｈ２の傾斜が緩まる変曲点１４ａ（変曲線１４）を設けることにより、太陽電池セル３の表面に集光される太陽光Ｌｃの集中を緩和する（すなわち、一旦、集中させた光を、太陽電池セル３の表面内において光軸中心から半径方向にずらせて分散させる）ことができる。すなわち、光の集中と分散とによって、より多くの太陽光Ｌｃを太陽電池セル３の表面に一様に照射することが可能となり、太陽電池セル３の発電効率（変換効率）を向上させることができる。

本実施形態では、太陽電池セル３として、３接合型太陽電池セル（例えば、ＩｎＧａＰ（トップセル）／ＧａＡｓ（ミドルセル）／Ｇｅ（ボトムセル）の３接合型太陽電池セル）を使用している。この場合、３接合型太陽電池セルのうち短波長側に感度領域を有する太陽電池セル（トップセル）に対応する波長領域の光が、第２光学屈折面Ｈ２ｂに入射しないように、変曲点１４ａ（変曲線１４）の形成位置を設定する。ここで、「トップセルに対応する波長領域の光が、第２光学屈折面Ｈ２ｂに入射しないように」とは、設計上そのように構成していることを意味しており、実際の使用環境によっては、周囲温度の変化や製造誤差等によって若干入射する場合もあるが、その程度の入射は許容範囲内と言える。すなわち、設計上、短波長域の光が入射する範囲よりも外側の位置に変曲点１４ａ（変曲線１４）を形成している。これにより、トップセルに対応する波長領域の光は、第１光学屈折面Ｈ２ａに入射し、第２光学屈折面Ｈ２ｂには入射しない（厳密に言えば、ほとんど入射しない）。従って、トップセル表面に入射される波長領域の光を効率良く集光し、トップセルに光を照射することができる。

図５Ａは、トップセルに対応する短波長域の光Ｌｃｓが二次レンズ１０Ａに入射したときの光の集光経路を示している。

トップセルに対応する短波長域の光Ｌｃｓは、波長分散が大きく広い範囲に光が当たるため、集光効率（光学効率）を維持するためには、二次レンズ１０の中心部狙いで光を集めて集光する必要がある。この場合、図５Ａに示すように、光軸２１から一定の範囲内に集光束が収まっていれば、トップセルの表面に入射される短波長域の光Ｌｃｓの集中を緩和して、トップセルの表面に一様に光を照射することができるので、トップセルに対応する短波長域の光Ｌｃｓの集光効率（変換効率）を向上させることができる。

また、具体例１の二次レンズ１０Ａでは、変曲点１４ａ（変曲線１４）の上部近傍（境界付近）の第１光学屈折面Ｈ２ａに入射した特定波長の光が光軸２１と交差した後に太陽電池セル３に到達し、かつ、変曲点１４ａ（変曲線１４）の下部近傍（境界付近）の第２光学屈折面Ｈ２ｂに入射した特定波長の光が光軸２１と交差する前に太陽電池セル３に到達するように、第１光学屈折面Ｈ２ａ及び第２光学屈折面Ｈ２ｂの傾斜角度と、変曲点１４ａ（変曲線１４）の高さ位置とが設定されている。

ここで、前記特定波長は、例えばミドルセルに対応した６５０〜９００ｎｍの中波長域とすることができる。

図５Ｂは、ミドルセルに対応する中波長域の光Ｌｃｍが二次レンズ１０Ａに入射したときの光の集光経路を示している。

図５Ｂに示すように、中波長域の光Ｌｃｍは比較的狭い範囲に照射される。また、集光レンズ２での屈折角が短波長域の光より小さいため、短波長域よりも外側に集光される。そのため、変曲点１４ａ（変曲線１４）を設けて、変曲線１４よりも外側の光学屈折面（すなわち、第２光学屈折面Ｈ２ｂ）の傾斜角度を緩やかにしておくことで、二次レンズ１０Ａの光軸２１よりも遠い外側に入射する中波長域の光Ｌｃｍを、効率よくミドルセル表面に集光させることができる。この場合、中波長域の光Ｌｃｍについては、変曲点１４ａ（変曲線１４）の高さ方向の前後で入射後の光の進行方向を、光軸２１を横切る方向（光Ｌｃｍ１）と横切らない方向（光Ｌｃｍ２）とに分散することで、中波長域の光がミドルセル表面に一様に照射されるため、ミドルセルの変換効率（出力電力）を向上させることができる。

また、具体例１の二次レンズ１０Ａでは、変曲点１４ａ（変曲線１４）から太陽電池セル３までの距離Ｄ１が、二次レンズ１０Ａの頂点から太陽電池セル３の表面までの距離Ｄ２の半分以上となるように設定している。

このように、変曲点１４ａから太陽電池セル３の表面までの距離Ｄ１を、二次レンズ１０Ａの頂点から太陽電池セル３の表面までの距離Ｄ２の半分以上とすることで、集光効率が低下する手前側（頂点側）に変曲点１４ａ（変曲線１４）を設けることができる。

図６は、距離Ｄ１を距離Ｄ２の半分以上とした場合と、半分以下とした場合との集光効率のシミュレーション結果を示す図表である。

結果１は、距離Ｄ１を距離Ｄ２の半分以上とした場合（この例では、距離Ｄ１を距離Ｄ２の６３％とした場合）、結果２は、距離Ｄ１を距離Ｄ２の半分以下とした場合（この例では、距離Ｄ１を距離Ｄ２の４９％とした場合）のシミュレーション結果を示している。

なお、このシミュレーションでは、集光レンズ２のレンズ径：１７０ｍｍ角、二次レンズ１０Ａの高さ：１１．４ｍｍ、二次レンズ１０Ａの出射部１２の直径：１４．４ｍｍφ、太陽電池セルの径：４．５ｍｍ角とした。

結果１によれば、トップセル表面では、光強度分布が２０程度でほぼ一様に分布し、ミドルセル表面では、光強度分布が２５程度でほぼ一様に分布し、ボトムセル表面では、光強度分布が３０程度でほぼ一様に分布している。

これに対し、結果２によれば、トップセル表面では、光強度分布が２０程度でほぼ一様に分布しているが、ミドルセル表面では、光強度分布が２５程度で結果１よりも凹凸があり、かつ、若干中央部に集中する傾向が見られる。また、ボトムセル表面では、光強度分布が４０程度で結果１よりも凹凸があり、かつ、さらに中央部に集中する傾向が見られる。

この結果、トップセルでは、結果１に比べて結果２の方が集光効率９８．４％（ただし、結果１の集光効率を１００％とした場合、以下同じ）と若干低下し、ミドルセルでは、結果１に比べて結果２の方が集光効率９５．６％とさらに若干低下し、ボトムセルでは、結果１に比べて結果２の方が集光効率９１．１％とさらに低下している。逆に言えば、結果１の二次レンズは、結果２の二次レンズに比べて全てのセルで集光効率が上昇している。実際の使用状況を鑑みると、結果２の集光効率でも実用ベースで本願発明の二次レンズの効果が一応得られていると言える。

これらの結果から、距離Ｄ１を距離Ｄ２の半分以上とすることで、集光効率の向上が実用ベースで十分に得られることが分かる。すなわち、二次レンズ１０Ａに形成する変曲点１４ａ（変曲線１４）の高さ位置は、変曲点１４ａから太陽電池セル３の表面までの距離Ｄ１が、二次レンズ１０Ａの頂点から太陽電池セル３の表面までの距離Ｄ２の半分以上となるような高さ位置に形成するのがよい。

次に、二次レンズの具体例２について説明する。

図７Ａないし図７Ｄは、具体例２の二次レンズ１０Ｂの形状を示し、図７Ａは斜視図、図７Ｂは平面図、図７Ｃは、図７Ａ中矢符Ｘ１方向から見た側面図、図７Ｄは、図７Ａ中矢符Ｘ２方向から見た側面図である。

具体例２の二次レンズ１０Ｂと、具体例１の二次レンズ１０Ａとの違いは、具体例２の二次レンズ１０Ｂでは、第２光学屈折面Ｈ２ｂの周囲４箇所にさらに面取り部１６を形成した点である。そのため、具体例２の二次レンズ１０Ｂでは、二次レンズ１０Ｂの第２光学屈折面Ｈ２ｂの光軸に垂直な方向の断面形状が、集光レンズ２の光学屈折面Ｈ１の光軸に垂直な方向の断面形状と非相似となっている。すなわち、本実施形態では、集光レンズ２を同心円状のフレネルレンズとしていることから、集光レンズ２の光学屈折面Ｈ１の光軸に垂直な方向の断面形状は円形状であるのに対し、二次レンズ１０Ｂの第２光学屈折面Ｈ２ｂは、周囲４箇所に面取り部１６を形成した結果、その断面形状は、円弧と直線とが順次連続する多角形状（略８角形状）となっている。

そのため、具体例１では、図８Ａに示すように、第２光学屈折面Ｈ２ｂに入射する太陽光Ｌｃは、平面視において光学中心Ｐに向かって直進していたが、具体例２では、図８Ｂに示すように、面取り部１６に入射する太陽光Ｌｃは、平面視において光軸中心Ｐから離れるように屈折し、光軸中心Ｐから広がるように分散して入射することになる。その結果、これらの太陽光Ｌｃは、太陽電池セル３表面にも分散して到達することになる。

すなわち、具体例２の二次レンズ１０Ｂでは、具体例１の二次レンズ１０Ａの有する上記作用効果（すなわち、変曲点１４ａ（変曲線１４）を設けることで、第２光学屈折面Ｈ２ｂに入射する太陽光Ｌｃが太陽電池セル３の中心に到達するのを避けることによる、太陽電池セル３表面に入射する太陽光Ｌｃの分散と集中緩和の効果）に加え、非相似部分である面取り部１６に入射した太陽光Ｌｃを平面視において水平方向に屈折させることによる、太陽電池セル３表面に入射する太陽光Ｌｃの分散と集中緩和の効果をさらに得ることができるため、これらの相乗効果により、太陽電池セル表面に太陽光Ｌｃをより一様に照射することが可能となる。その結果、太陽電池セル３の発電効率（変換効率）をさらに向上させることができる。

なお、二次レンズの第２光学屈折面の光軸に垂直な方向の断面形状と、集光レンズの光学屈折面の光軸に垂直な方向の断面形状とを非相似とする二次レンズの形状は、具体例２の二次レンズ１０Ｂのような形状（周囲４箇所を単純に面取りする形状）に限定されるものではなく、集光レンズ２の断面形状との兼ね合いにおいて、種々の形状とすることができる。例えば、集光レンズの光学屈折面の断面形状が四角形である場合には、二次レンズの断面形状は具体例１と同様の円形状であってもよい。

また、本発明に係る集光型太陽光発電モジュール１では、太陽電池実装体は、二次レンズ１０と太陽電池セル３との間に透光性樹脂材料７を充填することで、二次レンズ１０Ａ，１０Ｂと太陽電池セル３との間の空気層を排除している。これにより、二次レンズ１０Ａ，１０Ｂと空気層との界面での光の反射を抑制できるので、二次レンズ１０Ａ，１０Ｂから出射する光を効率良く太陽電池セル３へ導くことができ、集光効率を高めて、発電効率（変換効率）をさらに向上させることができる。

なお、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ 集光型太陽光発電モジュール
２ 集光レンズ
３ 太陽電池セル
４ レシーバ基板
５ 保持プレート
６ モジュールフレーム
７ 光透過性充填材
８ 出力ケーブル
１０Ａ，１０Ｂ 二次レンズ
１１ 入射部
１１ａ 頂部
１２ 出射部
１３ 中間領域部
１４ 変曲線
１４ａ 変曲点
２１ 光軸
Ｈ１ 集光レンズの光学屈折面
Ｈ２ 二次レンズの光学屈折面
Ｈ２ａ 第１光学屈折面
Ｈ２ｂ 第２光学屈折面

Claims (13)

1. 集光レンズで集光した光を太陽電池セルに照射する集光型太陽光発電モジュールに用いられ、前記集光レンズに対向して前記集光レンズからの集光束が入射される第１面と、前記太陽電池セルに対向して前記集光レンズからの集光束を出射する第２面とを有し、前記第１面に設けられた光学屈折面によって入射光を前記太陽電池セルに導く二次レンズであって、
   前記第１面の前記集光束の光軸に垂直な方向の断面積が、前記集光レンズ側から前記太陽電池セル側に近づくに従って単調増加するとともに、
   前記第１面の前記光軸に垂直な方向の面に対する傾斜角が、前記集光レンズ側から前記太陽電池セル側に近づくに従って単調増加し、かつ、前記傾斜角が単調増加する中で、前記傾斜角が減少する変曲点を少なくとも１つ有することを特徴とする二次レンズ。
2. 請求項１に記載の二次レンズであって、
   前記光軸方向から見た平面視において、前記変曲点を通る線は前記太陽電池セルの外側に位置していることを特徴とする二次レンズ。
3. 請求項１または請求項２に記載の二次レンズであって、
   前記第１面のうち前記集光レンズに対向する頂部から前記変曲点を通る線までの領域の前記光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状が、前記集光レンズの光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状と相似であることを特徴とする二次レンズ。
4. 請求項１または請求項２に記載の二次レンズであって、
   前記第１面のうち前記変曲点を通る線から前記第２面までの一部の領域の前記光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状が、前記集光レンズの光学屈折面の前記光軸に垂直な方向の断面形状と非相似であることを特徴とする二次レンズ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の二次レンズであって、
   前記太陽電池セルは多接合型の化合物セルであり、
   前記第１面のうち前記変曲点を通る線から前記第２面までの領域は、最も短波長側に感度領域を有する太陽電池セルに対応する波長領域の光が入射しない構成とされていることを特徴とする二次レンズ。
6. 請求項５に記載の二次レンズであって、
   前記集光レンズの端から出射して前記変曲点の上部近傍に入射した特定波長の光が前記光軸と交差した後に前記太陽電池セルに到達し、かつ、前記集光レンズの端から出射して前記変曲点の下部近傍に入射した特定波長の光が前記光軸と交差する前に前記太陽電池セルに到達するように、前記変曲点の高さ位置が設定されていることを特徴とする二次レンズ。
7. 請求項６に記載の二次レンズであって、
   前記特定波長が、６５０〜９００ｎｍであることを特徴とする二次レンズ。
8. 請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の二次レンズであって、
   前記変曲点から前記太陽電池セルまでの距離は、前記第１面の頂点から前記太陽電池セルまでの距離の半分以上であることを特徴とする二次レンズ。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の二次レンズであって、
   前記第１面と前記第２面との間には、前記入射光を前記太陽電池セルに導く上で光学的に寄与しない中間領域部を有することを特徴とする二次レンズ。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の二次レンズであって、
    前記第１面の表面には表面反射を抑制するための反射防止膜が設けられていることを特徴とする二次レンズ。
11. 集光レンズによって集光された光が入射される二次レンズと、前記二次レンズに対向して配置され前記二次レンズから出射された光を光電変換する太陽電池セルと、前記太陽電池セルが実装されたレシーバ基板とを備える太陽電池実装体であって、
    前記二次レンズは、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の二次レンズであり、
    前記二次レンズと前記太陽電池セルとの間に透光性樹脂材料が充填された充填部を備えたことを特徴とする太陽電池実装体。
12. 光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから入射された光を出射する二次レンズと、前記二次レンズから出射された光を光電変換する太陽電池セルとを備えた集光型太陽光発電ユニットであって、
    前記二次レンズは、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の二次レンズであることを特徴とする集光型太陽光発電ユニット。
13. 集光型太陽光発電ユニットを複数組み合わせて形成された集光型太陽光発電モジュールであって、
    前記集光型太陽光発電ユニットは、請求項１２に記載の集光型太陽光発電ユニットであることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。

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