JPWO2012160994A1 - 集光型太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

レシーバー基板１０２上に設けられた太陽電池素子１０１を被覆するようにして、レシーバー基板１０２上に封止部１２が設けられ、封止部１２上に、太陽電池素子１０１に太陽光を集光する光学部材１３が設けられた集光型太陽電池であって、光学部材１３は、太陽光を屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部１３１と、光学屈折部１３１により集光された太陽光を太陽電池素子１０１に向けて照射するために封止部１２に密着配置される集光射出部１３３と、光学屈折部１３１と集光射出部１３３との間に配された光学土台部１３２とを含んで構成され、かつ、光学屈折部１３１から光学土台部１３２を介して集光射出部１３３まで中間空気層のない一体構造とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光の集光効率を向上させ、かつ、太陽の追尾誤差による出力低下を抑制する一体構造の光学部材を備えた集光型太陽電池及びその製造方法に関する。
従来の太陽光発電装置は、太陽電池素子を隙間無く敷き詰めて構成した太陽光発電モジュールを屋根の上などに設置した非集光固定型の平板式構造のものが一般的であった。
また、最近は、太陽光発電装置を構成する部材（部品）の中で価格が高い太陽電池素子の使用量を減らす技術が提案されている。
具体的には、光学レンズや反射鏡などを用いて太陽光を集光し、小面積の太陽電池素子に照射することで、太陽電池素子の面積あたりの発電電力を大きくし、太陽電池素子のコスト（つまり、太陽光発電装置のコスト）を削減することが提案されている。
太陽電池素子の特性として、集光倍率を上げるほど光電変換効率は向上する。しかし、太陽電池素子の位置を固定したままでは、太陽光が斜光となって入射することが多くなり、太陽光を有効に利用することができない。そのため、太陽を追尾して太陽光を常に正面で受光するように構成した高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図１３及び図１４は、従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。
従来の集光型太陽光発電モジュールは、太陽光Ｌｓを受光して集光する集光レンズ５０と、集光レンズ５０により集光された太陽光Ｌｓｃ（図１３参照）を受光して光電変換する太陽電池７０とが、略円錐筒形状のモジュール枠９０によって所定の距離に対向配置された構造となっている。太陽電池７０は、レシーバー基板７０１上に太陽電池素子７０２が載置され、この太陽電池素子７０２を被覆するようにしてレシーバー基板７０１上にカバーガラス７０３が載置され、このカバーガラス７０３内に透光性の封止樹脂７０４が充填されて、太陽電池素子７０２が樹脂封止された構造となっている。
また、集光レンズ５０は、太陽電池素子７０２に対向する側（図面では下面側）の出射部５０ａを、レンズ中心部（中心線Ｃ２）を中心として同心円状に分割した複数の環状レンズ面５０ａ１，５０ａ２，・・・，５０ａｎ，・・・に形成し、かつ、各環状レンズ面５０ａ１，５０ａ２，・・・，５０ａｎ，・・・で屈折された太陽光Ｌｓｃが太陽電池素子７０２の受光面７０２ａに向かうように、各環状レンズ面５０ａ１，５０ａ２，・・・，５０ａｎ，・・・の傾斜角度が設定されたフレネルレンズとなっている。
特開２００９−２６６８９０号公報
このような従来の追尾集光型太陽光発電装置では、集光レンズ５０によって太陽光を集光させる場合、集光レンズ５０と太陽電池７０との間に空間となる中間空気層６３が存在することになる。その結果、集光レンズ５０に入射した太陽光Ｌｓは、集光レンズ５０の射出部５０ａと中間空気層６３との界面で光強度反射をおこし、集光効率が低下する。同様に、集光された光も中間空気層６３とカバーガラス７０３との界面で光強度反射をおこし、集光効率を低下させる。
また、従来の追尾集光型太陽光発電装置では、集光レンズ５０によって太陽光Ｌｓを集光させると、太陽光の各波長の屈折率の違いにより、図１４に示すように、長波長光Ｌｓｃ１と短波長光Ｌｓｃ２との集光位置が分かれる現象、いわゆる色収差が太陽電池素子７０２の受光面７０２ａ上に発生し、太陽電池素子７０２の種類によっては出力が低下する。
さらに、従来の追尾集光型太陽光発電装置では、集光レンズ５０を透過した太陽光は、高屈折率部ｎ２である集光レンズ５０から低屈折率部ｎ１である中間空気層６３に入射する境界面（射出部５０ａ）で屈折されて集光されることから、屈折角が大きくなる。その結果、図１３に示すように、太陽の数度の追尾誤差の発生により垂直方向から若干ずれた太陽光Ｌｓｖが発生した場合、集光レンズ５０によって集光された集光焦点群３０′のスポット位置が太陽電池素子７０２から外れて、レシーバー基板７０１に集光焦点群３０′が直接照射されてしまう。
さらにまた、集光レンズ５０の中心と太陽電池素子７０２の中心とを精度よく位置合わせするためには、図示は省略しているが、位置合わせの基準となる位置決め部を集光レンズ５０とレシーバー基板７０１の両方に形成して、集光レンズ５０に設けられた位置決め部と、レシーバー基板７０３に設けられた位置決め部とを位置合わせする必要があり、工程が複雑化、かつ増加する。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、その主な目的は、集光効率の低下原因であった光強度反射を無くすために、集光レンズと太陽電池とを一体化させる一体構造の光学部材を設けることにより、太陽光を無駄なく太陽電池素子に集光させて出力の向上を図った集光型太陽電池及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の集光型太陽電池は、素子基板と、前記素子基板上に設けられた太陽電池素子と、前記太陽電池素子を被覆するようにして前記素子基板上に設けられた封止部と、前記封止部上に設けられ、前記太陽電池素子に太陽光を集光する光学部材とを備えた集光型太陽電池であって、前記光学部材は、太陽光を屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部と、前記光学屈折部により集光された太陽光を前記太陽電池素子に向けて照射するために前記封止部に密着配置される集光射出部と、前記光学屈折部と前記集光射出部との間に配された光学土台部とを含んで構成され、かつ、前記光学屈折部から前記光学土台部を介して前記集光射出部まで中間空気層のない一体構造であることを特徴としている。
この本発明によれば、従来の集光型太陽電池の構造に存在していた中間空気層を無くすことができる。従って、中間空気層があることによって生じる大きな屈折率差によって発生する光強度反射による特性低下を無くすことが可能となり、太陽電池の出力向上を図ることができる。
或いは、本発明の集光型太陽電池は、素子基板と、前記素子基板上に設けられた複数の太陽電池素子と、前記素子基板上に設けられ、前記太陽電池素子の各々を個別に被覆する複数の封止部と、前記太陽電池素子の各々に太陽光を集光する光学部材とを備えた集光型太陽電池であって、前記光学部材は、前記素子基板上に設けられた前記複数の太陽電池素子の各々に対応する複数の光学部を有し、前記光学部はそれぞれ、太陽光を屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部と、前記光学屈折部により集光された太陽光を前記太陽電池素子の１つに向けて照射するために前記封止部の１つに密着配置される集光射出部と、前記光学屈折部と前記集光射出部との間に配された光学土台部とを含んで構成され、かつ、前記光学屈折部から前記光学土台部を介して前記集光射出部まで中間空気層のない一体構造であることを特徴としている。
この本発明によっても、従来の集光型太陽電池の構造に存在していた中間空気層を無くすことができる。従って、中間空気層があることによって生じる大きな屈折率差によって発生する光強度反射による特性低下を無くすことが可能となり、太陽電池の出力向上を図ることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記光学土台部の外周面は、前記太陽電池素子の受光面に入射する太陽光が前記光学屈折部によって屈折された屈折光の光路の外側に配されていてもよい。
この構成では、光学土台部の外周面の形状を、例えば正方形を底面とした角柱とし、光学屈折部を光学土台部の外形状と同サイズとすることによって、集光射出部周辺の光学土台部が、光学屈折部によって屈折された屈折光（集光光）の光路となることはない。すなわち、光学土台部の外周面は屈折光（集光光）の光路の外側に配置されている。そのため、集光射出部周辺の光学土台部を支持部として使用可能なことから、後述する支持部材を使用することにより、光学部材を太陽電池素子に位置精度よく載置することができ、信頼性と耐候性を向上させることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記光学屈折部の前記曲面はドーム形状またはフレネルレンズ形状であってもよい。
このような構成により、光学屈折部で集光される太陽光は、空気層である低屈折率部ｎ１から光学屈折部の高屈折率部ｎ２での屈折によって集光されることから、屈折角が小さくなり、その結果、追尾誤差や、追尾誤差による集光焦点群のスポット位置のずれを小さくすることができるため、太陽電池の出力安定、信頼性、耐候性の向上を図ることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記光学部材は、ガラス材、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料で形成されていてもよい。これにより、耐熱性及び耐湿性に優れた光学部材とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記光学部材は、屈折率が１．５〜１．７であるガラス材で形成されており、前記集光射出部の幅と、前記光学屈折部の頂部から前記集光射出部までの長さとの比が１：１．５〜１：３となるように構成してもよい。
このような構成によれば、太陽の追尾誤差が発生した場合や、光学部材の組み付け時にずれが発生した場合でも、出力低下を招くことなく、高品質で高効率な太陽電池とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池によれば、前記光学部材によって集光される太陽光の集光焦点群のスポット位置が前記太陽電池素子の受光面の内側に位置するように構成してもよい。
このような構成によれば、太陽の追尾誤差が発生した場合や、光学部材の組み付け時にずれが発生した場合でも、出力低下を招くことなく、高品質で高効率な太陽電池とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記集光射出部と前記太陽電池素子との間は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料で接着されていてもよい。
集光射出部と太陽電池素子との間を、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料で接着することにより、太陽電池素子への湿気、水分の侵入を防ぐことができ、信頼性と耐候性を向上させることができる。また、この構成により、一体構造の光学部材と太陽電池素子との間の屈折率差を低減させることが可能であることから、太陽電池素子への入射光量を低減させることなく、高効率な太陽電池とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池によれば、前記集光射出部に柱状光学部が形成されており、前記封止部に密着配置されている部分を前記柱状光学部の先端部とした構成としてもよい。
このような構成によれば、従来の集光型太陽電池の構造に存在していた中間空気層を無くすことができる。すなわち、中間空気層があることによって生じる大きな屈折率差によって発生する光強度反射による特性低下を無くすことが可能となり、太陽電池の出力向上を図ることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記柱状光学部は、前記集光射出部側の上端部から前記先端部に向かって漸次縮径するように設けられていてもよい。より具体的には、前記柱状光学部の周側面は、前記柱状光学部の中心線に対して０度〜２０度の傾斜角を有していてもよい。
このように、柱状光学部の周側面を傾斜面に形成することにより、柱状光学部に入射した集光光は柱状光学部の側面で全反射を繰り返して太陽電池素子の受光面に導かれる。その結果、太陽電池素子の受光面上では色収差が無くなり、強度ムラも無くなるため、太陽電池の出力向上を図ることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記柱状光学部の先端部と前記太陽電池素子との間は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料で接着されていてもよい。
柱状光学部の先端部と太陽電池素子との間を、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、または、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料で接着することにより、太陽電池素子への湿気、水分の侵入を防ぐことができ、信頼性と耐候性を向上させることができる。また、この構成により、一体型の光学部材と太陽電池素子との間の屈折率差を低減させることが可能であるため、太陽電池素子への入射光量を低減させることなく、高効率な太陽電池とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池によれば、前記柱状光学部を有する前記光学部材によって集光される太陽光の集光焦点群のスポット位置が前記柱状光学部の上端面の内側に位置するように構成してもよい。
このような構成によれば、太陽の追尾誤差が発生した場合や、光学部材の組み付け時にずれが発生した場合でも、出力低下を招くことなく、高品質で高効率な太陽電池とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池において、前記柱状光学部の前記先端部は、前記太陽電池素子の受光面の内側に位置する大きさに形成されていてもよい。
このような構成によれば、太陽の追尾誤差が発生した場合や、光学部材の組み付け時にずれが発生した場合でも、出力低下を招くことなく、高品質で高効率な太陽電池とすることができる。
また、本発明の集光型太陽電池によれば、前記太陽電池素子として、化合物多接合型太陽電池を使用してもよい。深さ方向に接合された化合物多接合型太陽電池を使用することにより、幅広い波長に対して光電変換が可能であるため、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電池によれば、前記光学部材を前記素子基板上に支持固定する支持部材を備えた構成としてもよい。より具体的には、前記支持部材は、前記素子基板を載置する支持基板と、前記支持基板に立設されて前記光学部材の下部外周部を支持する支持体とを備えた構成としてもよい。
このような支持部材を備えることで、光学部材を素子基板上に精度よく、かつ確実に載置支持することができる。
また、本発明の集光型太陽電池によれば、前記支持体は、前記素子基板を前記支持基板に位置精度良く載置する位置決め部材を兼ねた構成としてもよい。
支持体を位置決め部材として兼用することで、光学部材を素子基板上に精度よく、かつ確実に載置支持することができる。
また、本発明の集光型太陽電池の製造方法は、素子基板上に太陽電池素子が設けられ、前記太陽電池素子を被覆するようにして前記素子基板上に封止部が設けられ、前記封止部上に、前記太陽電池素子に太陽光を集光する一体構造の光学部材が設けられ、前記素子基板と前記光学部材とが支持部材で一体的に支持固定された集光型太陽電池の製造方法であって、太陽電池素子を素子基板上に搭載する工程と、前記太陽電池素子が搭載された前記素子基板を支持部材の支持基板上に載置する工程と、前記太陽電池素子の上部に前記封止部を形成する工程と、前記支持基板上に設けられた支持体により光学部材を支持する工程と、前記封止部と前記光学部材とを接着材により接着固定する工程と、を実施することを特徴としている。
この本発明の製造方法によれば、工程を簡略化し、耐熱性に優れた信頼性の高い高効率な集光型太陽電池を生産性良く製造することが可能となる。
或いは、本発明の集光型太陽電池の製造方法は、素子基板上に複数の太陽電池素子が設けられ、前記太陽電池素子の各々を個別に被覆するようにして前記素子基板上に複数の封止部が設けられ、前記太陽電池素子の各々に対応させて、当該太陽電池素子に太陽光を集光する一体構造の光学部を複数有する光学部材が前記封止部上に設けられ、前記素子基板と前記光学部材とが支持部材で一体的に支持固定された集光型太陽電池の製造方法であって、素子基板上に複数の太陽電池素子を搭載する工程と、前記複数の太陽電池素子が搭載された前記素子基板を支持部材の支持基板上に載置する工程と、前記太陽電池素子の各々の上部に前記封止部を形成する工程と、前記支持基板上に設けられた支持体により光学部材を支持する工程と、前記封止部と前記光学部材とを接着材により接着固定する工程と、を実施することを特徴としている。
この本発明の製造方法によっても、工程を簡略化し、耐熱性に優れた信頼性の高い高効率な集光型太陽電池を生産性良く製造することが可能となる。
本発明の集光型太陽電池によれば、光学部材を中間空気層を無くした一体構造としたので、光学屈折部によって集光された太陽光の強度反射が発生せず、集光された太陽光を無駄なく集光することができ、これにより、太陽電池の出力特性を向上させることができる。
図１は、本発明の実施形態１に係る集光型太陽電池の構成部材を分解して示す斜視図である。 図２は、本発明の実施形態１に係る集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。 図３Ａは、実施形態１に係る光学部材を斜め上方側から見た斜視図である。 図３Ｂは、実施形態１に係る光学部材を底面側から見た斜視図である。 図４は、垂直方向から若干ずれて光学部材に入射した太陽光の光路を説明する図であり、集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。 図５は、支持部材の他の実施例を示す集光型太陽電池の分解斜視図である。 図６は、本発明の実施形態２に係る集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。 図７は、本発明の実施形態２に係る集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。 図８Ａは、実施形態２に係る光学部材を斜め上方側から見た斜視図である。 図８Ｂは、実施形態２に係る光学部材を底面側から見た斜視図である。 図９は、光学部材の光学屈折部の他の形状例を示す、集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。 図１０は、本発明の実施形態３に係る集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。 図１１は、本発明の実施形態３に係る集光型太陽電池におけるレシーバー基板上の太陽電池素子の配置状態を示す斜視図である。 図１２Ａは、実施形態３に係る光学部材を斜め上方側から見た斜視図である。 図１２Ｂは、実施形態３に係る光学部材を底面側から見た斜視図である。 図１３は、従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。 図１４は、従来の追尾集光型太陽光発電装置に適用される集光型太陽光発電モジュールの構成を示す断面図である。
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。
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る集光型太陽電池の構成部材を分解して示す斜視図、図２は、実施形態１に係る集光型太陽電池を一部破断して示す側面図である。
実施形態１に係る集光型太陽電池１Ａは、レシーバー基板（素子基板）１０２上に太陽電池素子１０１が実装された太陽電池基板１０と、太陽電池素子１０１を被覆するようにレシーバー基板１０２上に設けられた封止部１２と、封止部１２上に設けられ、太陽電池素子１０１に太陽光を集光する一体構造の光学部材１３と、レシーバー基板１０２と光学部材１３とを一体に支持する支持部材１１とを備えて構成されている。
太陽電池素子１０１は、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅなどの無機材料で構成されている。また、太陽電池素子１０１の構造には、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル（化合物多接合型太陽電池）、波長感度領域の異なる種々の太陽電池セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造を適用することが可能である。
なお、太陽電池素子１０１の外形サイズは、使用する太陽電池材料の削減、加工のし易さ、工程の容易性、簡略化、さらには光学部材１３の材料の削減などの観点から、数百μｍから数ｍｍ程度とするのがよい。
レシーバー基板１０２は、例えばアルミニウム板、銅板などのベース基台に、セラミックやガラスといった適宜の絶縁層を介して所望の配線（図示は省略しているが、太陽電池素子１０１の電極に接続されて外部への取り出しを行なう接続パターンや、太陽電池相互間を直列あるいは並列に接続するための接続パターン等）が形成されている。
すなわち、太陽電池素子１０１から発生した電流が、レシーバー基板１０２に形成された配線により太陽電池の外部へ適宜取り出される構成とされている。レシーバー基板１０２に形成された配線は、信頼性の高い絶縁性を確保する必要があることから、例えば、銅箔で形成された接続パターンを有機材料または無機材料などの絶縁膜で被覆して絶縁する構成としている。
光学部材１３は、太陽光Ｌｓを屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部１３１と、光学屈折部１３１により集光された太陽光Ｌｓを太陽電池素子１０１に向けて照射するために封止部１２に密着配置される集光射出部１３３と、光学屈折部１３１と集光射出部１３３との間に配された光学土台部１３２とを含んで構成され、かつ、光学屈折部１３１から光学土台部１３２を介して集光射出部１３３まで中間空気層のない一体構造となっている。すなわち、図１３及び図１４で示した従来技術の中間空気層６３のところが、本発明では光学土台部１３２となっている。このような構造の光学部材１３は、例えば透過性の良いガラス材料や、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料などで構成されており、耐熱性及び耐湿性を確保した光学系となっている。
図３Ａは、光学部材１３を斜め上方側から見た斜視図、図３Ｂは、光学部材１３を底面側から見た斜視図である。
光学土台部１３２は、底面である集光出射部１３３が正方形の角柱状に形成され、光学屈折部１３１は、この光学土台部１３２と同じ外周形状及び外周サイズに形成されている。
このような形状の光学屈折部１３１は、全体が所定厚みのドーム形状に形成されており、その表面側（太陽光の入射面１３１ａ（図２参照））及び底面側（太陽光の出射面１３１ｂ（図２参照））の曲率は、集光された太陽光Ｌｓｃの集光焦点群３０のスポット面積が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上で最小となるように設定されている。なお、光学屈折部１３１の表面形状は、円形状、楕円形状のどちらの形状でもよい。同様に、光学土台部１３２の上面側（すなわち、光学屈折部１３１の底面と接する入射面１３２ａ）も同じドーム形状に形成されており、その曲率は、光学屈折部１３１の曲率と同じ曲率となっている。すなわち、光学屈折部１３１の出射面１３１ｂと光学土台部１３２の入射面１３２ａとが同じドーム形状の同じ曲率であることから、光学土台部１３２と光学屈折部１３１とを、中間に空気層の無い密に合体させた一体構造とすることができる。
なお、光学部材１３を構成する材料の屈折率と、光学土台部１３２の全長と、ドーム形状の曲率との間には、それぞれに相互の関係があることから、集光焦点群３０のスポット面積が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上で最小となるよう、それぞれを設計する必要がある。例えば、光学部材１３を構成する材料として、屈折率が１．５〜１．７のガラス材を用いた場合、集光射出部１３３の幅Ｗ１（正方形に形成された集光出射部の一辺の長さ）と、光学屈折部１３１の頂部から集光射出部１３３までの長さＨ２との比が、１：１．５〜１：３の範囲内となるように、光学部材１３の各部の寸法が設定されることが好ましい。
封止部１２は、太陽電池素子１０１と光学部材１３との間に充填された透明の絶縁樹脂（例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料）で形成されており、集光した太陽光Ｌｓｃを太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上に照射させるように構成されている。なお、封止部１２として用いる絶縁樹脂としては、波長域が３００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内で、内部透過率が９９．９％以上のものが望ましい。また、屈折率は、光学部材１３を形成する材料の屈折率との差が小さい方がよく、例えば、屈折率が１．４程度の透明なシリコーン樹脂を好適に用いることができる。また、集光射出部１３３と太陽電池素子１０１間を封止部１２によって接着封止する（すなわち、集光射出部１３３と太陽電池素子１０１との間を、上記絶縁樹脂（接着材料）で接着する）ことによって、太陽電池素子１０１への湿気や水分の浸入を防ぐことが可能であることから、信頼性と耐候性を向上させることができる。
実施形態１では、光学部材１３は、太陽を追尾する図示しない追尾機構の動作により太陽に常に正対する構成としている。従って、太陽光Ｌｓは、光学部材１３の入射面１３１ａの中心線Ｃ１（図２参照）に沿って常に垂直方向に入射する。光学部材１３に入射した太陽光Ｌｓｃはドーム形状の光学屈折部１３１によって屈折し、光学土台部１３２の内部を透過して太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに照射される。
このように、太陽光Ｌｓは、追尾機構により太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上に集光されるようになっているが、例えば、追尾機構の数度の追尾誤差の発生により集光焦点群３０のスポット位置がずれる場合がある。
この場合、図１３に示す従来の集光型太陽電池の構成では、数度の追尾誤差の発生により垂直方向から若干ずれた太陽光Ｌｓｖが発生した場合、集光レンズ５０によって集光された集光焦点群３０′のスポット位置が太陽電池素子７０２の受光面７０２ａから外れ、レシーバー基板７０１に直接照射される可能性があった。
これに対し、実施形態１の集光型太陽電池１Ａでは、従来の集光型太陽電池に存在した中間空気層６３（図１３、図１４参照）が無いため、図４に示すように、垂直方向から若干ずれて光学部材１３に入射した太陽光Ｌｓｖも、光学土台部１３２内部を透過して太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上に導かれる。その際、ドーム形状の光学屈折部１３１で集光された太陽光Ｌｓｖｃは、低屈折率部ｎ１である空気層と高屈折率部ｎ２である光学屈折部１３１との境界部分である入射面１３１ａでの一回の屈折によって集光されているので、屈折角が小さくなっている。その結果、数度の追尾誤差により発生する集光焦点群３０のスポット位置のずれ量も、従来の集光型太陽電池による集光焦点群３０のスポット位置のずれ量より少なくなることから、集光型太陽電池としての出力安定性、信頼性、耐候性を向上させることができる。
この場合、実施形態１では、太陽電池素子１０１は、集光焦点群３０のスポットサイズより大きく設計されている。つまり、集光焦点群３０のスポット位置が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａの内側に位置するように構成されている。従って、数度の追尾誤差の発生により垂直方向から若干ずれた太陽光Ｌｓｖが発生した場合でも、照射される集光焦点群３０のスポット位置が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａから外れることはない。
従って、光学部材１３を使用した実施形態１に係る集光型太陽電池１Ａでは、数度の追尾誤差が発生しても出力低下は発生しない。また、レシーバー基板１０２に集光焦点群３０が照射されることがないので、レシーバー基板１０２の表面に配置された部材の焼損を防ぐことができ、高効率で高品質な集光型太陽電池とすることが可能である。
また、光学部材１３は、光学屈折部１３１から光学土台部１３２を介して集光射出部１３３まで中間空気層のない一体構造となっており、かつ、光学土台部１３２は、底面である集光出射部１３３が正方形の角柱状に形成されている。このような構造により、光学土台部１３２の集光射出部１３３周辺の光学外径部１３６は、光学屈折部１３１によって屈折、集光された太陽光Ｌｓｃの光路となることはない。すなわち、光学土台部１３２の外周面は集光された太陽光Ｌｓｃの光路の外側に配置されている。従って、集光射出部１３３周辺の光学土台部１３２を支持部として使用可能である。
図１３及び図１４に示すような一般的な集光型太陽電池では、集光レンズ５０の面積分の太陽光Ｌｓが、直接的に出力に関与することになり、集光レンズ５０の面積をできるだけ広くすることが必要である。言い換えれば、集光レンズ５０には、入射する太陽光Ｌｓを遮る部分をできるだけ無くすことが高効率化につながる。
また、図１３及び図１４に示すような一般的な集光型太陽電池では、集光レンズ５０の中心と太陽電池素子７０２の中心との位置合わせに必要な、アライメントマークといった集光レンズ５０のレンズ部分ではない特別なマーキングや、集光レンズ５０と太陽電池基板（太陽電池７０）とを支えるための支持部分であるモジュール枠９０が必要であり、特にモジュール枠９０が集光レンズ５０の面積を実質的に減少させる結果、出力低下を招いていた。
これに対し、実施形態１の光学部材１３では、太陽電池基板１０を載置する支持部材１１で、光学土台部１３２の光学外径部１３６を支持することにより、太陽光Ｌｓをロスなく光学屈折部１３１に入射させることができる。
支持部材１１は、図１及び図２に示すように、レシーバー基板１０２よりも一回りほど大きな平面視正方形状の支持基板１１１を備えており、この支持基板１１１上に、光学土台部１３２の光学外径部１３６の各側面を支持する４つの支持体１１２がそれぞれ立設されている。
各支持体１１２は、光学外径部１３６の各側面にそれぞれ対向する位置に配置されており、支持基板１１１から垂直に立設された脚片１１３と、この脚片１１３の上端角部に形成された支持爪１１４とを備えている。
支持爪１１４は、支持基板１１１の基板中心Ｐ方向に向かって開口するように側面視Ｌ字状に切り欠き形成されており、光学外径部１３６の底面である集光射出部１３３の外周部を下方から支持する底面支持部１１４ａと、光学外径部１３６の下部側面を横方向から支持する側面支持部１１４ｂとで構成されている。また、基板中心Ｐを介して対向配置されている一対の支持体１１２の側面支持部１１４ｂ間の距離Ｌ１は、光学外径部１３６の対向する側面間の幅（集光射出部１３３の幅）Ｗ１と略同じ距離（Ｌ１≒Ｗ１）となるように形成されており、対向する支持片１１４の側面支持部１１４ｂ間に嵌め合わされた光学外径部１３６を、横ずれすることなく支持するようになっている。
また、基板中心Ｐを介して対向配置されている一対の支持体１１２の脚片１１３間の距離Ｌ３は、レシーバー基板１０２の横幅Ｗ３と略同じ距離（Ｌ３≒Ｗ３）となるように形成されている。これにより、レシーバー基板１０２を支持基板１１１上に載置するとき、レシーバー基板１０２を４つの支持片１１４間に落とし込むように嵌め合わせるだけで、レシーバー基板１０２を支持基板１１１上に位置精度よく載置することが可能となる。すなわち、本発明では、支持体１１２を、レシーバー基板１０２を支持基板１１１上に位置精度良く載置するための位置決め部材として兼用している。
従って、レシーバー基板１０２を支持基板１１１上に載置後、支持体１１２の支持爪１１４に光学部材１３の光学外径部１３６を載置して支持するだけで、レシーバー基板１０２の中央部に搭載された太陽電池素子１０１の中心と、光学部材１３の集光射出部１３３の中心とを精度良く一致させることができる。すなわち、支持基板１１１上にレシーバー基板１０２を載置し、支持部材１１の各支持片１１４に光学部材１３の光学外径部１３６を載置するだけで、太陽電池素子１０１の中心と光学部材１３の中心とを精度よく位置決めすることができるため、高品質で高信頼性を有した集光型太陽電池１Ａを容易に作製することが可能となっている。
また、支持基板１１１表面から各支持片１１４の底面支持部１１４ａまでの高さＨ１は、全て等しくなるように形成されている。これにより、４つの支持部材１１の支持片１１４に光学部材１３の光学外径部１３６を載置して支持するだけで、光学部材１３の底面である集光射出部１３３と、太陽電池素子１０１が搭載されたレシーバー基板１０２の上面（より具体的には、太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ）とを平行に配置することができる。
また、この高さＨ１は、支持部材１１の支持片１１４に光学部材１３の光学外径部１３６を載置して支持したとき、集光焦点群３０のスポット位置が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに位置する高さに設定されているとともに、太陽電池素子１０１を封止する封止部１２に光学部材１３の集光射出部１３３が当接する高さに設定されている。
なお、支持部材１１は、上記したように太陽電池素子１０１の中心と光学部材１３の中心とを一致させる位置決め部材として使用されるため、比較的寸法精度がよく、作製が可能な金属の削り出しや、金属部材による射出成形等によって形成するのがよい。ただし、集光型太陽電池の軽量化や低コスト化を図るのであれば、光学部材１３は樹脂成形品やガラス成形品であってもよい。
また、後述する製造方法でも説明するが、レシーバー基板１０２は例えば接着材や半田溶接、もしくはネジ固定等によって支持基板１１１上に固定されている。また、支持部材１１の支持片１１４に載置された光学部材１３の集光射出部１３３は、接触している封止部１２の溶融硬化によって当該封止部１２に接着固定されている。これにより、一体構造の集光型太陽電池が作製される。なお、一体構造の強度をより高めるためには、支持部材１１の支持片１１４とこれに載置される光学部材１３の光学外径部１３６との間も接着材等によって接着固定してもよい。
また、レシーバー基板１０２を支持基板１１１上に固定することによって、レシーバー基板１０２から発生する熱を支持基板１１１を介して放熱することができるため、集光型太陽電池としての放熱性を高めることができる。
図５は、支持部材１１Ａの他の実施例を示している。
図１に示す支持部材１１は、光学土台部１３２の光学外径部１３６を支持する４つの支持体１１２によって構成されているが、図５に示す支持部材１１Ａは、支持体１１２Ａを構成する脚片１１３Ａ及び支持爪１１４Ａが、光学外径部１３６の外周形状に合わせて平面視四角形状に形成されている。すなわち、脚片１１３Ａは、上部が開口した四角の枠体形状に形成されており、その枠体上面部の内周壁側に沿って断面Ｌ字形状の支持爪１１４Ａが環状に形成された構成となっている。このような構成とすることで、支持部材１１Ａをより強固に形成することができ、かつ、光学部材１３をより安定的に支持することが可能となる。
実施形態１に係る集光型太陽電池１Ａによれば、従来の集光型太陽電池の構造に存在していた中間空気層を無くすことができる。すなわち、中間空気層があることによって生じる大きな屈折率差によって発生する光強度反射による特性低下を無くすことが可能となり、集光型太陽電池の出力向上を図ることができる。
＜実施形態２＞
図６及び図７は、実施形態２に係る集光型太陽電池１Ｂを一部破断して示す側面図である。図８Ａは、実施形態２に係る光学部材１３を上方側から見た斜視図、図８Ｂは、底面側から見た斜視図である。
実施形態２の集光型太陽電池１Ｂは、実施形態１の集光型太陽電池１Ａにおいて、光学部材１３の集光射出部１３３に柱状光学部１３４を一体形成したものであり、柱状光学部１３４は、集光焦点群３０が位置する集光出射部１３３の部分、つまり集光出射部１３３の中央部（光学土台部１３２の中心線Ｃ１）の位置に一体形成されている。
このような構成とすることで、実施形態１に記載した光学部材１３の効果を有し、さらに柱状光学部１３４の長所を合わせ持った光学部材１３とすることができる。
なお、その他の構成は、支持部１１の支持基板１１１表面から支持爪１１４の底面支持部１１４ｂまでの高さＨ５が、柱状光学部１３４の高さ分高くなっていることを除けば、実施形態１と同じであるので、ここでは同部材に同符号を付して説明を省略するものとし、柱状光学部１３４に関連する部分についてのみ説明する。
柱状光学部１３４は、集光射出部１３３の中央部から下方に垂直に延設する形で突出形成されており、その先端部１３４ａが封止部１２に密着するように配置されている。封止部１２は、実施形態１の集光型太陽電池１Ａにおける封止部１２と同様に、太陽電池素子１０１と柱状光学部１３４の先端部１３４ａとの間に充填された透明の絶縁樹脂（例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料）で形成されている。すなわち、太陽電池素子１０１と柱状光学部１３４の先端部１３４ａとの間は、上記絶縁樹脂（接着材料）で接着されている。
この柱状光学部１３４は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、横断面正方形の角柱状に形成されており、集光射出部１３３側の上端部（上端面）１３４ｂから先端部（射出面）１３４ａに向かって漸次縮径するように設けられている。より具体的に説明すると、柱状光学部１３４の各側面は、柱状光学部１３４の中心線Ｃ１１に対してほぼ０度から２０度までの任意の傾斜角θを有している。つまり、柱状光学部１３４の射出面１３４ａから上方に向かって、傾斜角θ（０度＜θ≦２０度）の角度をもって広がっていることから、柱状光学部１３４の上端面１３４ｂは、柱状光学部１３４の射出面１３４ａ、さらには太陽電池素子１０１の受光面１０１ａより大きな面積となっている。また、柱状光学部１３４の射出面１３４ａ（先端部１３４ａ）は、太陽電池素子１０１の受光面１０１ａの内側に位置する大きさに形成されている。
このような構成により、柱状光学部１３４に入射した集光光（太陽光Ｌｓｃ）は柱状光学部１３４の側面で全反射を繰り返すことによって太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに導かれることから、太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上では色収差が無くなり、かつ、太陽光Ｌｓｃの強度ムラも無くすことができる。これにより、太陽電池のさらなる出力向上を図ることが可能となる。
また、光学部材１３によって集光される太陽光の集光焦点群３０のスポット位置は、柱状光学部１３４の上端面１３４ｂの内側に位置するように設けられている。すなわち、柱状光学部１３４の上端面１３４ｂは、集光焦点群３０のスポットサイズより大きくなるように設計されている。これにより、図７に示すように、数度の追尾誤差の発生により垂直方向から若干ずれて入射した太陽光Ｌｓｖが発生した場合や、光学部材１３の組み付け時にずれが発生した場合でも、太陽光Ｌｓｖは柱状光学部１３４に入射し、柱状光学部１３４の側面で全反射を繰り返しながら太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに漏れ無く照射されることから、高品質で高効率な集光型太陽電池１Ｂとすることができる。
このように、実施形態２によれば、柱状光学部１３４を有した光学部材１３を使用することで、実施形態１に示した効果に加え、太陽光Ｌｓの色収差と強度ムラとを無くすことが可能なことから、さらなる高効率な集光型太陽電池１Ｂとすることが可能である。
次に、上記各構成の集光型太陽電池の製造方法について説明する。
工程１：まず、光学部材１３を準備する（光学部材準備工程）。
準備する光学部材１３は、耐候性、信頼性の面から、透過性の良い光学ガラスで作製されているのがよい。太陽光Ｌｓを太陽電池素子１０１に効率よく入射させるための光学屈折部１３１を形成するために、光学部材１３はモールド成形、または、削り出しによって作製されている。ただし、この方法に限定されるものではない。なお、柱状光学部１３４を有する光学部材１３については、モールド成形、または、削り出しによる一括形成ではなく、モールド成形、または、削り出しによって光学屈折部１３１と光学土台部１３２とを形成した後、柱状光学部１３４をオプティカルコンタクトまたは透明樹脂による接着によって一体化させても良い。
また、光学部材１３は軽量化、低コスト化を考慮し、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、プラスチック等で作製することも可能である。
工程２：次に、太陽電池素子１０１をレシーバー基板１０２に搭載する（レシーバー基板準備工程）。
レシーバー基板１０２は、電極を兼ねたアルミニウム板、銅板などのベース基台に、セラミックやガラスといった適宜の絶縁層を介して太陽電池素子１０１の図示しない電極が接続された基板であり、ベース基台上に太陽電池素子１０１を精度よく配置し、半田や電極ペースト等によって接着固定する。
なお、集光型太陽電池に適用する太陽電池素子１０１としては、高効率性、実用性が特に求められることから、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅで構成した３接合型太陽電池素子、ＡｌＧａＡｓ／Ｓｉで構成した太陽電池素子、モノリシック多接合型太陽電池素子を使用することが望ましい。
工程３：次に、レシーバー基板１０２を支持部材１１に載置する（レシーバー基板搭載工程）。
上記したように、支持部材１１の脚片１１３，１１３Ａは、レシーバー基板１０２を支持基板１１１，１１１Ａ上に精度良く載置するための位置決め部材でもあるから、レシーバー基板１０２を脚片１１３，１１３Ａの間に落とし込むように嵌め合わせることで、精度良く載置することができる。その後、レシーバー基板１０２は、接着材などの樹脂や半田などで接着、または、ネジ止めなどの機械的な保持などによって、支持基板１１１，１１１Ａ上に固定する。
工程４：次に、レシーバー基板１０２上（太陽電池素子１０１の上部）に封止部１２を形成する（封止工程）。
封止部１２は、透過率が良く、光学部材１３と接着性の良いシリコーン樹脂、アクリル樹脂、接着剤などで形成するのが望ましい。また、樹脂などは流動性があるため、金属枠やプラスチック枠を形成し、太陽電池素子１０１を囲むようにしてレシーバー基板１０２上に金属枠やプラスチック枠を載置した状態で、枠内に定量的な樹脂を投入することによって形成するのがよい。
工程５：次に、光学部材１３を支持部材１１に搭載する（光学部材搭載工程）。
レシーバー基板１０２を支持基板１１１，１１１Ａ上に載置後、支持体１１２，１１２Ａの支持爪１１４，１１４Ａに光学部材１３の光学外径部１３６を上方から載置するようにして、光学部材１３を支持部材１１に載置する。このように載置するだけで、レシーバー基板１０２の太陽電池素子１０１の中心と、光学部材１３の集光射出部１３３の中心とを精度良く一致させることができる。
工程６：次に、光学部材１３と封止部１２とを接着させる（封止部一体型光学系接着工程）。
光学部材１３を支持部材１１に載置した状態において、光学部材１３の集光射出部１３３または柱状光学部１３４の射出面１３４ａが封止部１２に接触している。また、封止部１２に使用する樹脂は、一般的に熱硬化型、自然硬化型の樹脂である。従って、その樹脂の仕様に応じて硬化させることで、接触している光学部材１３の集光射出部１３３または柱状光学部１３４の射出面１３４ａと封止部１２とを接着させることができる。
これにより、太陽電池基板１０、支持部材１１、封止部１２、及び、光学部材１３が一体となった集光型太陽電池１Ａ，１Ｂを作製することができる。
なお、上記実施形態１，２では、光学屈折部１３１をドーム形状としているが、図９に示すようなフレネルレンズ形状の光学屈折部１３８としてもよい。この場合、光学土台部１３２の入射面１３２ａは、光学屈折部１３８下面のレンズ面１３８ｂの形状に合致するように形成されている。
＜実施形態３＞
図１０は、実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃを一部破断して示す側面図である。図１１は、実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃにおけるレシーバー基板（素子基板）１０２上の太陽電池素子１０１の配置状態を示す斜視図である。図１２Ａは、実施形態３に係る光学部材１４を斜め上方側から見た斜視図である。図１２Ｂは、実施形態３に係る光学部材１４を底面側から見た斜視図である。
実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃは、複数の太陽電池素子１０１をレシーバー基板１０２上に搭載した構成とされており、この集光型太陽電池１Ｃでは、光学部材として、上記した実施形態２の光学部材１３と同様の構成を有する光学部１５を、太陽電池素子１０１に対応させて複数有する光学部材１４が用いられている。このため、実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃによれば、実施形態２に係る集光型太陽電池１Ｂと同様の効果を奏することができる。
すなわち、実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃは、レシーバー基板（素子基板）１０２上に複数（具体的には、９つ）の太陽電池素子１０１が実装された太陽電池基板１０Ａと、それら太陽電池素子１０１の各々を個別に被覆するようにレシーバー基板１０２上に設けられた複数の封止部１２と、これらの封止部１２上に設けられ、太陽電池素子１０１の各々に太陽光を集光する一体構造の光学部材１４と、レシーバー基板１０２と光学部材１４とを一体に支持する支持部材１１Ａとを備えて構成されている。
複数の太陽電池素子１０１は、図１１に示すように、レシーバー基板１０２上において、行方向及び列方向に所定の間隔を空けて配列されている。これら太陽電池素子１０１は、それぞれ、上記した実施形態１及び２の集光型太陽電池１Ａ，１Ｂの太陽電池素子１０１と同様の構成とされている。
また、レシーバー基板１０２は、複数の太陽電池素子１０１を搭載し得る大きさとされており、当該レシーバー基板１０２に搭載される太陽電池素子１０１の各々に対応させて配線が形成されている以外は、上記した実施形態１及び２の集光型太陽電池１Ａ，１Ｂのレシーバー基板１０２と同様の構成とされている。
光学部材１４は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、レシーバー基板１０２上に搭載された太陽電池素子１０１の各々に対応する複数（９つ）の光学部１５が、行方向及び列方向に、隙間なく連続して配列された構造を有している。
光学部材１４の光学部１５はそれぞれ、上記した実施形態２の光学部材１３と同様の構成とされている。すなわち、光学部１５は、太陽光Ｌｓを屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部１５１と、光学屈折部１５１により集光された太陽光Ｌｓを１つの太陽電池素子１０１に向けて照射するために１つの封止部１２に密着配置される集光射出部１５３と、光学屈折部１５１と集光射出部１５３との間に配された光学土台部１５２とを含んで構成され、かつ、光学屈折部１５１から光学土台部１５２を介して集光射出部１５３まで中間空気層のない一体構造となっている。このような複数の光学部１５を有する光学部材１４は、例えば透過性の良いガラス材料や、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料などで構成されており、耐熱性及び耐湿性を確保した光学系となっている。
光学土台部１５２は、底面である集光出射部１５３が正方形の角柱状に形成されており、光学屈折部１５１は、この光学土台部１５２と同じ外周形状及び外周サイズに形成されている。
このような形状の光学屈折部１５１は、全体が所定厚みのドーム形状に形成されており、その表面側（太陽光の入射面１５１ａ（図１０参照））及び底面側（太陽光の出射面１５１ｂ（図１０参照））の曲率は、集光された太陽光Ｌｓｃの集光焦点群３０のスポット面積が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上で最小となるように設定されている。なお、光学屈折部１５１の表面形状は、円形状、楕円形状のどちらの形状でもよい。同様に、光学土台部１５２の上面側（すなわち、光学屈折部１５１の底面と接する入射面１５２ａ）も同じドーム形状に形成されており、その曲率は、光学屈折部１５１の曲率と同じ曲率となっている。すなわち、光学屈折部１５１の出射面１５１ｂと光学土台部１５２の入射面１５２ａとが同じドーム形状の同じ曲率であることから、光学土台部１５２と光学屈折部１５１とを、中間に空気層の無い密に合体させた一体構造とすることができる。
なお、光学部材１４を構成する材料の屈折率と、光学土台部１５２の全長と、ドーム形状の曲率との間には、それぞれに相互の関係があることから、集光焦点群３０のスポット面積が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上で最小となるよう、それぞれを設計する必要がある。例えば、光学部材１４を構成する材料として、屈折率が１．５〜１．７のガラス材を用いた場合、集光射出部１５３の幅Ｗ１（正方形に形成された集光出射部の一辺の長さ）と、光学屈折部１５１の頂部から集光射出部１５３までの長さＨ２との比が、１：１．５〜１：３の範囲内となるように、光学部材１４の各部の寸法が設定されることが好ましい。
また、光学部１５の集光射出部１５３には、柱状光学部１５４が一体形成されている。この柱状光学部１５４は、集光焦点群３０が位置する集光出射部１５３の部分、つまり集光出射部１５３の中央部（光学土台部１５２の中心線Ｃ１）の位置に一体形成されている。このような柱状光学部１５４は、集光射出部１５３の中央部から下方に垂直に延設する形で突出形成されており、その先端部１５４ａが封止部１２に密着するように配置されている。
また、柱状光学部１５４は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、横断面正方形の角柱状に形成されており、集光射出部１５３側の上端部（上端面）１５４ｂから先端部（射出面）１５４ａに向かって漸次縮径するように設けられている。より具体的に説明すると、柱状光学部１５４の各側面は、柱状光学部１５４の中心線Ｃ１１に対してほぼ０度から２０度までの任意の傾斜角θを有している。つまり、柱状光学部１５４の射出面１５４ａから上方に向かって、傾斜角θ（０度＜θ≦２０度）の角度をもって広がっていることから、柱状光学部１５４の上端面１５４ｂは、柱状光学部１５４の射出面１５４ａ、さらには太陽電池素子１０１の受光面１０１ａより大きな面積となっている。また、柱状光学部１５４の射出面１５４ａ（先端部１５４ａ）は、太陽電池素子１０１の受光面１０１ａの内側に位置する大きさに形成されている。
封止部１２は、それぞれ、上記した実施形態１及び２の封止部１２と同様の構成とされており、太陽電池素子１０１と光学部材１４（各光学部１５における柱状光学部１５４の先端部１５４ａ）との間に充填された透明の絶縁樹脂（例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料）で形成されており、集光した太陽光Ｌｓｃを太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上に照射させるように構成されている。なお、封止部１２として用いる絶縁樹脂としては、波長域が３００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内で、内部透過率が９９．９％以上のものが望ましい。また、屈折率は、光学部材１４を形成する材料の屈折率との差が小さい方がよく、例えば、屈折率が１．４程度の透明なシリコーン樹脂を好適に用いることができる。また、柱状光学部１５４の先端部１５４ａと太陽電池素子１０１間を封止部１２によって接着封止する（すなわち、集光射出部１５３と太陽電池素子１０１との間を、上記絶縁樹脂（接着材料）で接着する）ことによって、太陽電池素子１０１への湿気や水分の浸入を防ぐことが可能であることから、信頼性と耐候性を向上させることができる。
光学部材１４の光学部１５は、それぞれ、実施形態１及び２の光学部材１３と同様に、太陽を追尾する図示しない追尾機構の動作により太陽に常に正対する構成とされている。従って、太陽光Ｌｓは、光学部１５の入射面１５１ａの中心線Ｃ１（図１０参照）に沿って常に垂直方向に入射する。光学部１５に入射した太陽光Ｌｓｃはドーム形状の光学屈折部１５１によって屈折し、光学土台部１５２の内部を透過して太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに照射される。
このような実施形態３の集光型太陽電池１Ｃは、実施形態１及び２の集光型太陽電池１Ａ，１Ｂと同様に、従来の集光型太陽電池に存在した中間空気層６３（図１３、図１４参照）が無い構成とされているため、垂直方向から若干ずれて光学部材１４に入射した太陽光も、光学土台部１５２内部を透過して太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上に導かれる。その際、ドーム形状の光学屈折部１５１で集光された太陽光は、低屈折率部である空気層と高屈折率部である光学屈折部１５１との境界部分である入射面１５１ａでの一回の屈折によって集光されるので、屈折角が小さくなる。その結果、数度の追尾誤差により発生する集光焦点群３０のスポット位置のずれ量も、従来の集光型太陽電池による集光焦点群３０のスポット位置のずれ量より少なくなり、集光型太陽電池としての出力安定性、信頼性、耐候性を向上する。
また、実施形態３の集光型太陽電池１Ｃでは、実施形態１及び２の集光型太陽電池１Ａ，１Ｂと同様に、太陽電池素子１０１は、集光焦点群３０のスポットサイズより大きく設計されている。つまり、集光焦点群３０のスポット位置が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａの内側に位置するように構成されている。従って、数度の追尾誤差の発生により垂直方向から若干ずれた太陽光が発生した場合でも、照射される集光焦点群３０のスポット位置が太陽電池素子１０１の受光面１０１ａから外れることはない。
従って、光学部材１４を使用した実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃでは、数度の追尾誤差が発生しても出力低下は発生しない。また、レシーバー基板１０２に集光焦点群３０が照射されることがないので、レシーバー基板１０２の表面に配置された部材の焼損を防ぐことができ、高効率で高品質な集光型太陽電池とすることが可能である。
さらに、実施形態３の光学部材１４の光学部１５は、実施形態２の光学部材１３と同様に、柱状光学部１５４を集光射出部１５３に備える構成とされていることから、柱状光学部１５４に入射した集光光（太陽光Ｌｓｃ）が柱状光学部１５４の側面で全反射を繰り返すことによって太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに導かれ、これにより、太陽電池素子１０１の受光面１０１ａ上での色収差が無くなり、かつ、太陽光Ｌｓｃの強度ムラも無くなる。このため、太陽電池のさらなる出力向上を図ることが可能となる。
また、光学部材１４の光学部１５によって集光される太陽光の集光焦点群３０のスポット位置は、柱状光学部１５４の上端面１５４ｂの内側に位置するように設けられている。すなわち、柱状光学部１５４の上端面１５４ｂは、集光焦点群３０のスポットサイズより大きくなるように設計されている。これにより、数度の追尾誤差の発生により垂直方向から若干ずれて入射した太陽光が発生した場合や、光学部材１４の組み付け時にずれが発生した場合でも、太陽光は柱状光学部１５４に入射し、柱状光学部１５４の側面で全反射を繰り返しながら太陽電池素子１０１の受光面１０１ａに漏れ無く照射されることから、高品質で高効率な集光型太陽電池１Ｂとすることができる。
また、光学部材１４の各光学部１５は、光学屈折部１５１から光学土台部１５２を介して集光射出部１５３まで中間空気層のない一体構造となっており、かつ、光学土台部１５２は、底面である集光出射部１５３が正方形の角柱状に形成されている。このような構造により、光学土台部１５２の集光射出部１５３周辺の光学部材１４の外径部は、光学屈折部１５１によって屈折、集光された太陽光Ｌｓｃの光路となることはない。すなわち、光学土台部１５２の外周面は集光された太陽光Ｌｓｃの光路の外側に配置されている。従って、集光射出部１５３周辺の光学土台部１５２を支持部として使用可能である。
また、実施形態３の光学部材１４の外径部は、実施形態１及び２の光学部材１３と同様に、太陽電池基板１０Ａを載置する支持部材１１Ａで支持されており、これにより、太陽光Ｌｓをロスなく光学屈折部１５１に入射させることが可能とされている。
また、支持部材１１Ａは、図５に示す支持部材１１Ａと同様の構成とされており、支持体１１２Ａを構成する脚片１１３Ａ及び支持爪１１４Ａが、光学部材１４の外周形状に合わせて平面視四角形状に形成されている。すなわち、脚片１１３Ａは、上部が開口した四角の枠体形状に形成されており、その枠体上面部の内周壁側に沿って断面Ｌ字形状の支持爪１１４Ａが環状に形成された構成となっている。
実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃによれば、従来の集光型太陽電池の構造に存在していた中間空気層を無くすことができる。すなわち、中間空気層があることによって生じる大きな屈折率差によって発生する光強度反射による特性低下を無くすことが可能となり、集光型太陽電池の出力向上を図ることができる。
実施形態１及び２に係る集光型太陽電池１Ａ，１Ｂを行方向及び列方向に複数個配列して、複数の太陽電池素子１０１を搭載した構成では、それら集光型太陽電池１Ａ，１Ｂの光学部材１３が、それぞれの支持部材１１，１１Ａで支持されるため、各光学部材１３間に、隙間ができる。このような集光型太陽電池１Ａ，１Ｂの光学部材１３間の隙間に入射した太陽光は、太陽電池素子１０１で受光されないため、実施形態１及び２に係る集光型太陽電池１Ａ，１Ｂを行方向及び列方向に複数個配列した構成では、光学部材１３間の隙間による太陽光のロスを生じる。これに対し、実施形態３に係る集光型太陽電池１Ｃでは、１つのレシーバー基板１０２に複数の太陽電池素子１０１を搭載し、これら太陽電池素子１０１の各々に対応させて複数の光学部１５が隙間なく連続形成された光学部材１４（即ち、全面が有効光学エリアとされた光学部材１４）が、１つの支持部材１１Ａ（レシーバー基板１０２が載置された支持部材１１Ａ）で支持される構成となっているため、上記したような隙間による太陽光のロスが発生しない。
次に、上記実施形態３の集光型太陽電池１Ｃの製造方法について説明する。
工程１：まず、光学部材１４を準備する（光学部材準備工程）。
準備する光学部材１４は、耐候性、信頼性の面から、透過性の良い光学ガラスで作製されているのがよい。太陽光Ｌｓを太陽電池素子１０１に効率よく入射させるための光学屈折部１５１を形成するために、光学部材１４はモールド成形、または、削り出しによって作製されている。ただし、この方法に限定されるものではない。
なお、光学部材１４は、モールド成形、または、削り出しによって複数の光学部１５を一括形成することにより作製してもよいし、モールド成形、または、削り出しによって光学部１５を複数個、個別に形成した後、これら光学部１５の側面同士をオプティカルコンタクトまたは透明樹脂により接着することによって複数の光学部１５を一体化させることにより作製してもよい。
また、柱状光学部１５４は、モールド成形、または、削り出しにより、光学屈折部１５１と光学土台部１５２と共に一括形成されてもよいし、モールド成形、または、削り出しによって光学屈折部１５１と光学土台部１５２とを形成した後、光学土台部１５２の底面である集光射出部１５３に、オプティカルコンタクトまたは透明樹脂により接着されても良い。
また、光学部材１４は軽量化、低コスト化を考慮し、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、プラスチック等で作製することも可能である。
工程２：次に、複数の太陽電池素子１０１をレシーバー基板１０２に搭載する（レシーバー基板準備工程）。
レシーバー基板１０２は、電極を兼ねたアルミニウム板、銅板などのベース基台に、セラミックやガラスといった適宜の絶縁層を介して太陽電池素子１０１の図示しない電極が接続された基板であり、ベース基台上に太陽電池素子１０１を精度よく配置し、半田や電極ペースト等によって接着固定する。
なお、集光型太陽電池に適用する太陽電池素子１０１としては、高効率性、実用性が特に求められることから、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅで構成した３接合型太陽電池素子、ＡｌＧａＡｓ／Ｓｉで構成した太陽電池素子、モノリシック多接合型太陽電池素子を使用することが望ましい。
工程３：次に、レシーバー基板１０２を支持部材１１Ａに載置する（レシーバー基板搭載工程）。
上記したように、支持部材１１Ａの脚片１１３Ａは、レシーバー基板１０２を支持基板１１１Ａ上に精度良く載置するための位置決め部材でもあるから、レシーバー基板１０２を脚片１１３Ａの間に落とし込むように嵌め合わせることで、精度良く載置することができる。その後、レシーバー基板１０２は、接着材などの樹脂や半田などで接着、または、ネジ止めなどの機械的な保持などによって、支持基板１１１Ａ上に固定する。
工程４：次に、レシーバー基板１０２上の太陽電池素子１０１の各々が個別に封止部１２で被覆されるように、レシーバー基板１０２上に複数の封止部１２を形成する（封止工程）。
封止部１２は、透過率が良く、光学部材１４と接着性の良いシリコーン樹脂、アクリル樹脂、接着剤などで形成するのが望ましい。また、樹脂などは流動性があるため、金属枠やプラスチック枠を形成し、太陽電池素子１０１を囲むようにしてレシーバー基板１０２上に金属枠やプラスチック枠を載置した状態で、枠内に定量的な樹脂を投入することによって形成するのがよい。
工程５：次に、光学部材１４を支持部材１１Ａに搭載する（光学部材搭載工程）。
レシーバー基板１０２を支持基板１１１Ａ上に載置後、支持体１１２Ａの支持爪１１４Ａに光学部材１４の外径部を上方から載置するようにして、光学部材１４を支持部材１１Ａに載置する。このように載置するだけで、レシーバー基板１０２の太陽電池素子１０１の中心と、光学部材１４の各光学部１５の集光射出部１５３の中心とを精度良く一致させることができる。
工程６：次に、光学部材１４（光学部１５）と封止部１２とを接着させる（封止部一体型光学系接着工程）。
光学部材１４を支持部材１１Ａに載置した状態において、光学部材１４の光学部１５の柱状光学部１５４の射出面１５４ａが封止部１２に接触している。また、封止部１２に使用する樹脂は、一般的に熱硬化型、自然硬化型の樹脂である。従って、その樹脂の仕様に応じて硬化させることで、接触している光学部材１４の光学部１５の柱状光学部１５４の射出面１５４ａと封止部１２とを接着させることができる。
これにより、太陽電池基板１０Ａ、支持部材１１Ａ、封止部１２、及び、光学部材１４が一体となった集光型太陽電池１Ｃを作製することができる。
なお、上記実施形態３では、光学屈折部１５１をドーム形状としているが、フレネルレンズ形状の光学屈折部としてもよい。この場合、光学土台部１５２の入射面１５２ａは、フレネルレンズ形状の光学屈折部下面のレンズ面の形状に合致するように形成されている。
また、実施形態３では、レシーバー基板１０２に搭載する太陽電池素子１０１の数を９個とし、これら太陽電池素子１０１に対応させて、光学部材１４が９つの光学部１５を有する構成としたが、レシーバー基板１０２に搭載する太陽電池素子１０１の数及び光学部材１４における光学部１５の数は、特に限定されない。例えば、モールド成形（射出形成）による一括形成が可能な最大数の光学部１５を有する光学部材１４を作製し、この光学部材１４が有する光学部１５の数と同数の太陽電池素子１０１を、レシーバー基板１０２に搭載してもよい。
また、実施形態３において、光学部材１４の光学部１５は、実施形態２に係る光学部材１３と同様の構成とされているが、光学部１５は、実施形態１に係る光学部材１３と同様の構成、すなわち、柱状光学部１５４を備えない構成とされていてもよい。
また、実施形態３において、光学部材１４は、図５に示す支持部材１１Ａと同様の構成の支持部材１１Ａにより支持されているが、図１に示す支持部材１１と同様の構成の支持部材１１により支持されていてもよい。この場合、支持部材１１の基板中心Ｐを介して対向配置されている一対の支持体１１２の側面支持部１１４ｂ間の距離Ｌ１は、光学部材１４の外径部の対向する側面間の幅Ｗ５と略同じ距離となるように形成されており、対向する支持片１１４の側面支持部１１４ｂ間に嵌め合わされた光学部材１４の外径部を、横ずれすることなく支持するようになっている。
また、今回開示した実施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。
すなわち、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
また、この出願は、２０１１年５月２０日に日本で出願された特願２０１１−１１３８１５に基づく優先権を請求する。これに言及することにより、その全ての内容は本出願に組み込まれるものである。
１Ａ，１Ｂ 集光型太陽電池
１０，１０Ａ 太陽電池基板
１０１ 太陽電池素子
１０２ レシーバー基板（素子基板）
１１ 支持部材
１１１ 支持基板
１１２ 支持体
１１３ 脚片
１１４ 支持爪
１１４ａ 底面支持部
１１４ｂ 側面支持部
１２ 封止部
１３ 光学部材
１３１，１３８ 光学屈折部
１３２ 光学土台部
１３３ 集光射出部
１３４ 柱状光学部
１３４ａ 先端部（射出面）
１３４ｂ 上端部（上端面）
１３６ 光学外径部
１３８ｂ レンズ面
１４ 光学部材
１５ 光学部
１５１ 光学屈折部
１５２ 光学土台部
１５３ 集光射出部
１５４ 柱状光学部
１５４ａ 先端部（射出面）
１５４ｂ 上端部（上端面）
３０，３０′ 集光焦点群
５０ 集光レンズ
６２ 光学屈折部
６３ 中間空気層
７０ 太陽電池
７０１ レシーバー基板
７０２ 太陽電池素子
７０２ａ 受光面
７０３ カバーガラス
７０４ 封止樹脂
９０ モジュール枠

Claims (20)

  1. 素子基板と、前記素子基板上に設けられた太陽電池素子と、前記太陽電池素子を被覆するようにして前記素子基板上に設けられた封止部と、前記封止部上に設けられ、前記太陽電池素子に太陽光を集光する光学部材とを備えた集光型太陽電池であって、
    前記光学部材は、
    太陽光を屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部と、
    前記光学屈折部により集光された太陽光を前記太陽電池素子に向けて照射するために前記封止部に密着配置される集光射出部と、
    前記光学屈折部と前記集光射出部との間に配された光学土台部とを含んで構成され、かつ、前記光学屈折部から前記光学土台部を介して前記集光射出部まで中間空気層のない一体構造であることを特徴とする集光型太陽電池。
  2. 素子基板と、前記素子基板上に設けられた複数の太陽電池素子と、前記素子基板上に設けられ、前記太陽電池素子の各々を個別に被覆する複数の封止部と、前記太陽電池素子の各々に太陽光を集光する光学部材とを備えた集光型太陽電池であって、
    前記光学部材は、前記素子基板上に設けられた前記複数の太陽電池素子の各々に対応する複数の光学部を有し、
    前記光学部はそれぞれ、
    太陽光を屈折して集光するための曲面を有する光学屈折部と、
    前記光学屈折部により集光された太陽光を前記太陽電池素子の１つに向けて照射するために前記封止部の１つに密着配置される集光射出部と、
    前記光学屈折部と前記集光射出部との間に配された光学土台部とを含んで構成され、かつ、前記光学屈折部から前記光学土台部を介して前記集光射出部まで中間空気層のない一体構造であることを特徴とする集光型太陽電池。
  3. 請求項１または請求項２に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学土台部の外周面は、前記太陽電池素子の受光面に入射する太陽光が前記光学屈折部によって屈折された屈折光の光路の外側に配置されていることを特徴とする集光型太陽電池。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学屈折部の前記曲面がドーム形状またはフレネルレンズ形状であることを特徴とする集光型太陽電池。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学部材は、ガラス材、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの樹脂材料で形成されていること特徴とする集光型太陽電池。
  6. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学部材は、屈折率が１．５〜１．７であるガラス材で形成されており、
    前記集光射出部の幅と、前記光学屈折部の頂部から前記集光射出部までの長さとの比が１：１．５〜１：３であることを特徴とする集光型太陽電池。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学部材によって集光される太陽光の集光焦点群のスポット位置が前記太陽電池素子の受光面の内側に位置するように構成されていることを特徴とする集光型太陽電池。
  8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記集光射出部と前記太陽電池素子との間は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの接着材料で接着されていることを特徴とする集光型太陽電池。
  9. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記集光射出部に柱状光学部が形成されており、前記封止部に密着配置されている部分が前記柱状光学部の先端部であることを特徴とする集光型太陽電池。
  10. 請求項９に記載の集光型太陽電池であって、
    前記柱状光学部は、前記集光射出部側の上端部から前記先端部に向かって漸次縮径するように設けられていることを特徴とする集光型太陽電池。
  11. 請求項９に記載の集光型太陽電池であって、
    前記柱状光学部の周側面は、前記柱状光学部の中心線に対して０度〜２０度の傾斜角を有していることを特徴とする集光型太陽電池。
  12. 請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記柱状光学部の先端部と前記太陽電池素子との間は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、及び、エポキシ樹脂の少なくとも一つの接着材料で接着されていることを特徴とする集光型太陽電池。
  13. 請求項９から請求項１２までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学部材によって集光される太陽光の集光焦点群のスポット位置が前記柱状光学部の上端面の内側に位置するように構成されていることを特徴とする集光型太陽電池。
  14. 請求項９から請求項１３までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記柱状光学部の前記先端部は、前記太陽電池素子の受光面の内側に位置する大きさに形成されていることを特徴とする集光型太陽電池。
  15. 請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記太陽電池素子は、化合物多接合型太陽電池であることを特徴とする集光型太陽電池。
  16. 請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の集光型太陽電池であって、
    前記光学部材を前記素子基板上に支持固定する支持部材を備えていることを特徴とする集光型太陽電池。
  17. 請求項１６に記載の集光型太陽電池であって、
    前記支持部材は、前記素子基板を載置する支持基板と、前記支持基板に立設されて前記光学部材の下部外周部を支持する支持体とを備えていることを特徴とする集光型太陽電池。
  18. 請求項１７に記載の集光型太陽電池であって、
    前記支持体は、前記素子基板を前記支持基板に位置精度良く載置する位置決め部材を兼ねていることを特徴とする集光型太陽電池。
  19. 素子基板上に太陽電池素子が設けられ、前記太陽電池素子を被覆するようにして前記素子基板上に封止部が設けられ、前記封止部上に、前記太陽電池素子に太陽光を集光する一体構造の光学部材が設けられ、前記素子基板と前記光学部材とが支持部材で一体的に支持固定された集光型太陽電池の製造方法であって、
    太陽電池素子を素子基板上に搭載する工程と、
    前記太陽電池素子が搭載された前記素子基板を支持部材の支持基板上に載置する工程と、
    前記太陽電池素子の上部に前記封止部を形成する工程と、
    前記支持基板上に設けられた支持体により光学部材を支持する工程と、
    前記封止部と前記光学部材とを接着材により接着固定する工程と、を実施することを特徴とする集光型太陽電池の製造方法。
  20. 素子基板上に複数の太陽電池素子が設けられ、前記太陽電池素子の各々を個別に被覆するようにして前記素子基板上に複数の封止部が設けられ、前記太陽電池素子の各々に対応させて、当該太陽電池素子に太陽光を集光する一体構造の光学部を複数有する光学部材が前記封止部上に設けられ、前記素子基板と前記光学部材とが支持部材で一体的に支持固定された集光型太陽電池の製造方法であって、
    素子基板上に複数の太陽電池素子を搭載する工程と、
    前記複数の太陽電池素子が搭載された前記素子基板を支持部材の支持基板上に載置する工程と、
    前記太陽電池素子の各々の上部に前記封止部を形成する工程と、
    前記支持基板上に設けられた支持体により光学部材を支持する工程と、
    前記封止部と前記光学部材とを接着材により接着固定する工程と、を実施することを特徴とする集光型太陽電池の製造方法。
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