WO2014168235A1 - 光学素子、設計方法及び集光型太陽光発電装置 - Google Patents

光学素子、設計方法及び集光型太陽光発電装置 Download PDF

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WO2014168235A1
WO2014168235A1 PCT/JP2014/060475 JP2014060475W WO2014168235A1 WO 2014168235 A1 WO2014168235 A1 WO 2014168235A1 JP 2014060475 W JP2014060475 W JP 2014060475W WO 2014168235 A1 WO2014168235 A1 WO 2014168235A1
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WO
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translucent substrate
thin film
film layer
optical element
sunlight
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PCT/JP2014/060475
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Inventor
安部　浩司
慎二 平松
勝洋 藤田
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株式会社クラレ
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G02B1/105—
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/14—Protective coatings, e.g. hard coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to an optical element having a thin film layer formed on the surface, a design method, and a concentrating solar power generation device.
  • the concentrating solar power generation device can reduce the size of the expensive solar cell element by concentrating sunlight with a condensing lens and receiving the light to the solar cell element, thereby reducing the cost of the entire power generation device. be able to. For this reason, the concentrating solar power generation apparatus is spreading as a power supply application in a vast area where the sunshine duration is long and the condensing surface can be installed even when the condensing surface is enlarged.
  • Non-Patent Document 1 describes that Saudi Arabia in the Middle East contains sand particles having a particle size of about 40 ⁇ m at a height of 1 m above the ground and a particle size of about 20 ⁇ m at a height of 20 m above the ground at a wind speed of 20 m / sec. Has been.
  • Non-Patent Document 2 even when the material of the Fresnel lens for a concentrating solar cell is an acrylic resin (PMMA) excellent in transmittance and scratch resistance, durability against sand dust is low compared to glass. It is described that when sand particles collide in a windy situation, they are damaged and haze increases.
  • PMMA acrylic resin
  • JP 2006-343435 A Amosphwic Emvronmrnf Vol. 21. No 12. pp. 2723-2725. 1987 Solar Energy 86 (2012) 3021-3025
  • the substrate material used in the concentrating solar power generation apparatus is required to have a high light transmittance and not be deteriorated by sunlight in order to increase power generation efficiency. Therefore, acrylic resin, polycarbonate resin, silicone resin, etc. are generally used as the material for the transmissive substrate.
  • a polycarbonate resin is not suitable because it has no light resistance compared to an acrylic resin and does not have durability against surface damage.
  • the glass substrate has a larger specific gravity than the plastic substrate, and the weight increases in the same area.
  • the concentrating solar power generation device requires a tracking device for tracking sunlight, and if the overall weight of the device is increased by using a glass substrate, the tracking device is liable to be damaged. Absent.
  • the transmissive substrate used in the concentrating solar power generation device is formed of acrylic resin
  • the cloudiness of the transmissive substrate increases in the condensing lens (for example, Fresnel lens) for the concentrating solar cell.
  • the condensing lens for example, Fresnel lens
  • light is scattered.
  • the power generation efficiency decreases by about 10%.
  • the scratch resistance of the transparent substrate is important in an area where there is a lot of dust. It is a problem.
  • an object of the present invention is to provide an optical element, a design method, and a concentrating solar power generation device that are excellent in scratch resistance and are not easily damaged even when sand particles collide in a windy situation. .
  • the optical element according to claim 1 is made of an organic resin having a planar first surface on which sunlight enters and a planar second surface on which incident sunlight exits.
  • a translucent substrate, a thin film layer having a composition different from that of the translucent substrate, formed on the first surface of the translucent substrate, and a condensing lens formed on the second surface of the translucent substrate An optical element for concentrating sunlight comprising a sheet-like condensing lens element having a function, wherein the thin film layer contains 80% by mass or more of an inorganic component, and is 0.5 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less. It is characterized by being formed with a thickness of.
  • the optical element according to claim 2 is characterized in that a material refractive index of the thin film layer is 0.01 or more smaller than that of the translucent substrate made of an organic resin.
  • the optical element according to claim 3 is characterized in that the condenser lens element is a Fresnel lens element in which a Fresnel lens pattern is formed.
  • the translucent substrate made of an organic resin having a planar first surface on which sunlight enters and a planar second surface on which incident sunlight exits;
  • a thin film layer having a composition different from that of the translucent substrate formed on the first surface of the translucent substrate, and a sheet-like collection having a condensing lens function formed on the second surface of the translucent substrate.
  • An optical element for concentrating sunlight comprising an optical lens element, and in forming the thin film layer, silica sand having an average particle diameter of 40 to 50 ⁇ m and containing a silica component of 80% by mass or more is used at a wind speed of 20 m / sec.
  • the jet direction of the silica sand and the main surface of the translucent substrate is characterized by determining the composition and thickness of the thin film layer after the collision.
  • the design method according to claim 5 is a translucent substrate made of an organic resin having a planar first surface on which sunlight is incident and a planar second surface on which incident sunlight is emitted; A thin film layer having a composition different from that of the translucent substrate formed on the first surface of the translucent substrate, and a sheet-like collection having a condensing lens function formed on the second surface of the translucent substrate.
  • An optical element for concentrating sunlight comprising an optical lens element, and in forming the thin film layer, silica sand having an average particle diameter of 40 to 50 ⁇ m and containing a silica component of 80% by mass or more is used at a wind speed of 20 m / sec.
  • the invention according to claim 7 is a concentrating solar power generation apparatus including an optical element that condenses sunlight and a solar cell element that receives and photoelectrically converts sunlight condensed by the optical element.
  • the optical element is an optical element according to any one of claims 1 to 3.
  • substrate which consists of organic resin which has the planar 1st surface where sunlight injects, and the planar 2nd surface where the incident sunlight radiate
  • a thin-film layer having a composition different from that of the light-transmitting substrate formed on the first surface of the light-transmitting substrate and a sheet-shaped light-collecting lens having a function of a condensing lens formed on the second surface of the light-transmitting substrate.
  • the thin film layer is formed with a thickness of 0.5 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less because the thin film layer includes 80% by mass or more of an inorganic component.
  • the hardness of the surface on the sunlight incident side of the optical substrate can be as high as that of glass.
  • the light-transmitting substrate is less likely to be damaged, and the haze can be prevented from being improved.
  • the thickness of the thin film layer becomes thinner than 0.5 ⁇ m, the hardness cannot be maintained, and the effect of scratch resistance is reduced. Further, when the thickness is increased to 3.0 ⁇ m or more, the scratch resistance is maintained, but when a scratch is generated by an impact, there is a problem that a crack is deeply generated by the impact and the haze is increased.
  • the thickness of the thin film layer is 0.5 ⁇ m or more, which can maintain the hardness, and 3.0 ⁇ m or less, in which the generation of cracks is suppressed by the collision of dust and temperature change.
  • the composition does not contain 80% by mass or more of the inorganic component of the thin film layer
  • yellowing of the thin film layer occurs due to ultraviolet rays of sunlight at the time of outdoor exposure, and the light transmittance is in a wavelength range of about 300 to 600 nm.
  • the rate of decline increases.
  • the proportion of light incident on the solar cell element that absorbs short wavelengths decreases.
  • the power generation amount of one cell in the three-junction solar cell element changes, the power generation amount to other cells is also affected. Therefore, a partial decrease in transmittance leads to a significant decrease in power generation efficiency.
  • the inorganic component of the thin film layer is contained in an amount of 80% by mass or more, yellowing can be reduced even when the ultraviolet rays of sunlight are irradiated for a long time. For this reason, when the inorganic component of the thin film layer is desirably contained in an amount of 90% by mass or more, the ultraviolet resistance is further improved.
  • the material refractive index of a thin film layer is made 0.01 or more smaller than the translucent board
  • the condensing lens element is a Fresnel lens element in which a Fresnel lens pattern is formed, sunlight can be efficiently condensed on the solar cell element.
  • a translucent substrate made of an organic resin having a planar first surface on which sunlight enters and a planar second surface on which incident sunlight exits;
  • a thin film layer having a composition different from that of the translucent substrate formed on the first surface of the translucent substrate, and a sheet having a condensing lens function formed on the second surface of the translucent substrate.
  • An optical element for concentrating sunlight comprising a condensing lens element, wherein when forming the thin film layer, silica sand having an average particle diameter of 40 to 50 ⁇ m and containing a silica component of 80% by mass or more is used at a wind speed of 20 m.
  • a translucent substrate made of an organic resin having a planar first surface on which sunlight enters and a planar second surface on which incident sunlight exits;
  • a thin film layer having a composition different from that of the translucent substrate formed on the first surface of the translucent substrate, and a sheet having a condensing lens function formed on the second surface of the translucent substrate.
  • An optical element for concentrating sunlight comprising a condensing lens element, wherein when forming the thin film layer, silica sand having an average particle diameter of 40 to 50 ⁇ m and containing a silica component of 80% by mass or more is used at a wind speed of 20 m.
  • the jet direction of the silica sand and the main surface of the translucent substrate It is defined in IEC62106 after colliding for 10 seconds under the condition that the normal angle of the surface is 45 degrees. After freezing the test, the rate of increase in haze after freezing test before freezing test to be 5% or less, to determine the composition and thickness of the thin film layer.
  • determining the composition and thickness of the thin film layer has the following advantages.
  • the normal of the main surface of the substrate is tested at an angle of 45 degrees with respect to the sand injection direction.
  • Translucent substrates such as glass have high scratch resistance when the impact force of sand is below a certain level.
  • an optical element is installed outdoors, so that sand dust collides from all directions, so that the normal of the main surface of the translucent substrate is hardly damaged even at 0 degrees with respect to the sand traveling direction. An optical element is required.
  • a substrate having a lower hardness than glass such as a resin substrate, maintains an impact force at which the impacting sand damages the substrate even at an angle of 45 degrees, and is therefore almost proportional to the frequency of the impacting sand.
  • the haze increases.
  • the angle is 45 degrees or more, the impact force is very weak, and the increase in haze is very small, so that power generation is not affected.
  • the normal line of the main surface of the transparent resin substrate is set at an angle of 0 degrees and 45 degrees with respect to the sand traveling direction, the increase in haze is reduced, and the thin film layer on the transparent resin substrate is reduced. It is important to select the structure (composition and thickness).
  • the concentrating solar power generation device since the optical element according to the present invention is provided, even if sand particles or the like collide with the light-transmitting substrate in a strong wind speed, the transparent It is possible to reduce scratches on the optical substrate and prevent the haze from improving. Therefore, the power generation amount can be stably maintained over a long period even in an area where a lot of dust is present.
  • Sectional drawing which shows schematic structure of the concentrating solar power generation device provided with the optical element which concerns on embodiment of this invention.
  • the top view which shows the outline
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a concentrating solar power generation apparatus including an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • a concentrating solar power generation device 1 includes a solar cell element (solar cell) 2 that photoelectrically converts received sunlight, and the solar cell element 2.
  • a solar cell substrate 3 and an optical element 4 that is arranged so as to face the front side (sunlight incident side) of the solar cell element 2 and condense sunlight are provided as main constituent members.
  • L ⁇ b> 1 indicates sunlight incident on the optical element 4
  • L ⁇ b> 2 indicates sunlight condensed by the optical element 4.
  • the optical element 4 includes a translucent substrate 5 provided on the sunlight incident side, and a translucent sheet adhered to the surface of the translucent substrate 5 on the emission side (the side facing the solar cell element 2). And a Fresnel lens element 6 as a condensing lens element. The light condensed by the Fresnel lens element 6 is incident on the solar cell element 2. Further, a thin film layer 7 having a composition different from that of the translucent substrate 5 is formed on the surface of the translucent substrate 5 on the sunlight incident side (hereinafter referred to as “surface”) in order to protect the surface. (Details of the thin film layer 7 which is a feature of the present invention will be described later).
  • the concentrating solar power generation device 1 includes a plurality of solar cell elements 2 mounted on a solar cell substrate 3 (see FIG. 1) at regular intervals.
  • a plurality of optical elements 4 are integrally provided on the same plane so as to face each other.
  • FIG. 2 only 12 (vertical and horizontal: 3 ⁇ 4) solar cell elements 2 (optical elements 4) are shown. However, in actuality, the large number of solar cell elements 2 and optical elements 4 is large.
  • the concentrating solar panel is constructed.
  • Each solar cell element 2 and each optical element 4 are accurately positioned and arranged, and the side surface periphery between the solar cell substrate 3 and the optical element 4 is between the solar cell substrate 3 and the optical element 4. It is sealed so that moisture (moisture), dust and the like do not enter the space between them. Note that the number and size of the solar cell elements 2 and the optical elements 4 that are opposed to each other are arbitrarily set depending on the size, installation location, and the like of the concentrating solar power generation device 1.
  • the optical element 4 is required to have a high light transmittance and be transparent in a wavelength range (about 350 to 1850 nm) that can be used by sunlight.
  • a wavelength range about 350 to 1850 nm
  • only light that has entered from a direction perpendicular to the main surface of the optical element 4 is condensed and used by the refractive action of the Fresnel lens element 6.
  • the surface side of the translucent substrate 5 constituting the optical element 4 is exposed to the natural environment, for example, when sand particles or the like collide with the surface of the translucent substrate 5 in a windy situation, the surface is damaged, Haze increases. Therefore, when the haze level of the translucent substrate 5 is increased, the light is scattered, and the light cannot be collected efficiently, so that the power generation efficiency is greatly reduced.
  • Haze (scattered light / total light transmitted light) ⁇ 100 (%)
  • the scattered light is light scattered by the surface of the light-transmitting substrate 5
  • the haze is the ratio of the scattered light on the surface of the light-transmitting substrate 5 to the total light transmitted through the light-transmitting substrate 5. It is.
  • the haze is measured by the method specified in the method for obtaining the haze of plastic-transparent material (JIS K7136).
  • JIS K7136 the method specified in the method for obtaining the haze of plastic-transparent material
  • a thin film layer 7 to be described later is formed on the surface of the light-transmitting substrate 5 and has excellent scratch resistance, which is difficult to be damaged even when sand particles collide in a windy situation. Yes.
  • silica sand having an average particle diameter of 40 to 50 ⁇ m and containing a silica component of 80% by mass or more under conditions of a wind speed of 20 m / sec and a density of 1.9 g / m 3 is used. Collision with the surface of the translucent substrate 5 (sunlight incident surface) for 10 seconds under the condition that the normal line between the jet direction of the silica sand and the main surface of the translucent substrate 5 is 0 degree and 45 degrees
  • the composition and thickness of the thin film layer 7 are such that the rate of increase in haze of the translucent substrate 5 before and after the silica sand collision is 10% or less when the angle is 0 degree and 45 degrees. It is determined as described later.
  • silica sand having an average particle diameter of 40 to 50 ⁇ m and containing a silica component of 80% by mass or more under conditions of a wind speed of 20 m / sec and a density of 1.9 g / m 3 .
  • the composition and thickness of the thin film layer 7 are determined as described later so that the rate of increase in haze from before the freezing test to after the freezing test is 5% or less.
  • a method for forming the thin film layer 7 on the flat surface of the translucent substrate 5 is not particularly specified, but a coating liquid having a thermosetting hard coat performance is applied by a die coating method or a flow coating method. Apply uniformly by dip coating or spray coating. After that, the Fresnel lens element 6 surface bonded to the surface opposite to the surface of the translucent substrate 5 is heated within a range where the angle of the Fresnel lens pattern shape does not change, and is bonded by thermosetting. Can do. It is desirable that the heating temperature be lower than the glass transition temperature of the material of the translucent substrate 5.
  • the thin film layer 7 can be formed by uniformly coating the surface of the light-transmitting substrate 5 with a coating solution having hard coat properties and then curing it by irradiation with ultraviolet rays.
  • the thickness of the thin film layer 7 is preferably 0.5 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less. If the thickness of the thin film layer 7 is thinner than 0.5 ⁇ m, the hardness cannot be maintained, and the effect of scratch resistance is reduced. Further, when the thickness of the thin film layer 7 is increased to 3.0 ⁇ m or more, the scratch resistance is maintained, but when a scratch is generated by an impact, a crack is deeply generated by the impact, and the haze level is increased. is there.
  • the coating liquid for forming the thin film layer 7 preferably contains 80 weight percent or more, more desirably 90 weight percent or more after drying a solvent containing an inorganic compound mainly composed of silica (SiO 2 ). .
  • a solvent containing an inorganic compound mainly composed of silica (SiO 2 ). When there are many organic components, the organic components are decomposed by ultraviolet rays at the time of outdoor exposure, leading to deterioration of power generation efficiency due to deterioration of the thin film or yellowing.
  • an oxide compound such as silica, titanium oxide, or tungsten oxide having high light transmittance over a wide wavelength range is desirable. Note that when the refractive index of the oxide compound increases, interface reflection increases and power generation efficiency decreases, so it is more desirable to use a silica-based material with a low refractive index as the material of the oxide compound.
  • the thin film layer 7 peels from the translucent substrate 5
  • the light reflected by the peeled surface increases, and the amount of light reaching the solar cell element 2 decreases.
  • the impact of sand particles colliding with the thin film layer 7 on the surface of the translucent substrate 5 due to the strong wind increases the possibility that the thin film layer 7 will be peeled off, and the cloudiness of the translucent substrate 5 increases and the power generation efficiency increases. Leading to a decline.
  • the surface of the translucent substrate 5 is subjected to plasma treatment to modify the surface, thereby improving the adhesion between the translucent substrate 5 and the thin film layer 7. Can be increased.
  • surface modification can also be performed by excimer treatment or corona treatment.
  • the thin film layer 7 peels off when sand particles or the like collide. Further, when stress is generated in the translucent substrate 5 and the thin film layer 7 due to a heat change in the outside air, peeling at the interface occurs. In either case, the haze of the translucent substrate 5 is increased and the power generation efficiency is lowered. Therefore, it is necessary to make the translucent substrate 5 and the thin film layer 7 have good adhesion.
  • the material refractive index of the thin film layer 7 is made 0.01 or more smaller than the translucent substrate 5 made of an organic resin.
  • the upper suction port 10a and the lower discharge port 10b of the container 10 filled with the sand particles S are used. Then, compressed air is introduced through the pipes 11a and 11b, and the sand particles S are introduced by the compressed air from the tip of the nozzle 12 to the front surface (thin film layer 7) of the translucent substrate 5 arranged at a predetermined distance. Inject toward.
  • the pressure of the compressed air introduced into the upper suction port 10a and the lower discharge port 10b of the container 10 so that the wind speed of the compressed air near the surface of the translucent substrate 5 (thin film layer 7) is 20 m / sec. Adjust.
  • compressed air was sprayed at a wind speed of 20 m / sec for 10 seconds near the surface of the translucent substrate 5 (thin film layer 7).
  • the distance between the tip of the nozzle 12 and the surface of the translucent substrate 5 (thin film layer 7), the spraying range from the tip of the nozzle 12 and the like are adjusted, and the surface of the translucent substrate 5 (thin film layer 7).
  • the density of the sand particles S in the vicinity is set to about 1.9 g / m 3 .
  • the surface (thin film layer 7) of the translucent substrate 5 is arranged perpendicular to the direction of compressed air (sand particles) injected from the tip of the nozzle 12, and this state
  • the angle ( ⁇ ) of the translucent substrate 5 at 0 is set to 0 degree.
  • the surface (thin film layer 7) of the translucent substrate 5 is disposed with an inclination of 45 degrees with respect to the direction of compressed air (sand particles) ejected from the tip of the nozzle 12.
  • the angle ( ⁇ ) of the translucent substrate 5 in the state is 45 degrees.
  • substrate 5 may be 0 degree
  • the translucent substrate 5 is held so as not to move at the arranged angle.
  • Example 1 of the present invention shown below and Comparative Example 1 for comparison are shown below.
  • the haze (%) was evaluated on a translucent substrate having a thin film layer having a structure of ⁇ 3 formed on the surface.
  • Comparative Example 4 is an evaluation by an icing test defined by IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2, and deterioration evaluation by ultraviolet rays.
  • Table 1 shows the evaluation results of the scratch resistance (cloudiness) of the thin film layer 7 in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 for comparison.
  • Example 1 In Example 1, on a transparent resin substrate made of a methacrylic resin having a thickness of 3 mm and an area of 1 m 2 , a thermosetting SDC Crystal Coat MP-101 having a volume ratio of silica of 80% or more is used. The coating solution was uniformly applied by a spray coating method, naturally dried for 5 minutes, and then heated and dried in a heating furnace at 80 ° C. for 60 minutes.
  • the thickness of the thin film layer after thermosetting is 2 ⁇ m, and the refractive index is 0.05 lower than the resin of the substrate.
  • Example 1 the total light transmittance before thin film formation was 92.5%, the transmittance after thin film formation was 93.1%, and the haze was 0.3%. By forming the thin film layer, the total light transmittance was improved by 0.6%.
  • the substrate on which this thin film layer was formed was subjected to an icing test as defined in IEC62106 umi Humidity freeze test Option HFC-2. As a result, no appearance of cracks or the like was observed.
  • No. 9 cinnabar sand (average particle diameter 48 ⁇ m) manufactured by Takeori Sakai Co., Ltd. was used for the substrate on which the thin film layer was formed, and the density of cinnabar in air was 1.9 g / m 3 and the wind speed was 20 m / sec.
  • the angle ( ⁇ ) formed by the normal line of the main surface of the substrate with respect to the traveling direction of the compressed air (sand particles S) is two conditions of 0 degree and 45 degrees. After carrying out the treatment with cinnabar sand for 10 seconds, the haze was measured.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, a test was conducted under the same conditions as in Example 1 except that a thin resin layer was not formed on the surface of a transparent resin substrate made of a methacrylic resin having a thickness of 3 mm and an area of 1 m 2 .
  • This transparent resin substrate was 92.5%, and the haze was 0.5%.
  • This transparent resin substrate was subjected to an icing test as defined in IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2. As a result, no appearance of cracks or the like was observed.
  • the angle ( ⁇ ) formed by the normal line of the principal surface of the substrate with respect to the traveling direction of the compressed air (sand particles S) is Haze was measured after spraying cinnabar sand for 10 seconds under two conditions of 0 ° and 45 °.
  • Comparative Example 2 a test was performed under the same conditions as in Example 1 except that a heat-strengthened glass (B270) having a thickness of 3 mm and an area of 1 m 2 was used and a thin film layer was not produced.
  • B270 heat-strengthened glass
  • This transparent resin substrate was 91.8%, and the haze was 0.4%.
  • This transparent resin substrate was subjected to an icing test as defined in IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2. As a result, no appearance of cracks or the like was observed.
  • the angle ( ⁇ ) formed by the normal line of the principal surface of the substrate with respect to the traveling direction of the compressed air (sand particles S) is Haze was measured after spraying cinnabar sand for 10 seconds under two conditions of 0 ° and 45 °.
  • Comparative Example 3 In Comparative Example 3, the test was performed under the same conditions as in Example 1 except that the thickness of the thin film layer was 5 ⁇ m on a transparent resin substrate made of methacrylic resin having a thickness of 3 mm and an area of 1 m 2 .
  • the transmittance of the substrate in the wavelength range of 400 to 800 nm was 93.2%, and the haze was 0.4%.
  • the substrate was subjected to an icing test as defined in IEC6210662Humidity freeze test Option HFC-2. As a result, appearance of cracks and the like were observed.
  • the angle ( ⁇ ) formed by the normal line of the principal surface of the substrate with respect to the traveling direction of the compressed air (sand particles S) is Haze was measured after spraying cinnabar sand for 10 seconds under two conditions of 0 ° and 45 °.
  • Comparative Example 4 a UV curable resin having a volume ratio of silica in the solid content of less than 80% was uniformly applied by spray coating on a transparent resin substrate made of methacrylic resin having a thickness of 3 mm and an area of 1 m 2. The film was cured by irradiating with 10 J of ultraviolet rays to form a thin film layer having a thickness of 2 ⁇ m. And the test was done on the same conditions as Example 1 except the thickness of the thin film layer after thermosetting having been 2 micrometers.
  • This transparent resin substrate was 92.1%, and the haze was 0.4%.
  • This transparent resin substrate was subjected to an icing test as defined in IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2. As a result, no appearance of cracks or the like was observed.
  • Comparative Example 4 when a metal halide lamp was used to irradiate light including ultraviolet rays for 900 hours at an illuminance of 1 kW / m 2 , the yellowness was 29.1, and deterioration due to ultraviolet rays was observed. In addition, when the same test was done with the sample used in Example 1, the yellowness was 6.1, and deterioration due to ultraviolet rays was not recognized.
  • the increase in haze can be reduced. Therefore, the optical element 4 having excellent scratch resistance that is difficult to be damaged even when sand particles collide in a windy state (the thin film layer 7 is formed on the sunlight incident surface, and the Fresnel lens element 6 is formed on the sunlight emitting surface).
  • a translucent substrate 5) can be provided.
  • the concentrating solar power generation apparatus 1 of this embodiment provided with this optical element 4 is excellent in scratch resistance, so that the amount of power generation can be increased over a long period even in a region where a lot of dust is present. It can be maintained stably.

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Abstract

　風速の強い状況で砂粒子等が衝突しても傷が付きにくい耐傷付き性に優れた光学素子を提供する。　太陽光（Ｌ１）が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板５と、この透光性基板（５）の第１面に形成した該透光性基板（５）と異なる組成の薄膜層（７）と、透光性基板（５）の第２面に形成した、太陽電池素子（２）に太陽光を集光させるフレネルレンズ素子（６）とを備えた太陽光集光用の光学素子（４）において、薄膜層（７）は、無機成分が８０質量％以上含まれ、かつ０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みで形成されている。

Description

光学素子、設計方法及び集光型太陽光発電装置
　本発明は、表面に薄膜層が形成された光学素子、設計方法及び集光型太陽光発電装置に関する。
　近年、自然エネルギーの利用が注目されており、そのひとつに太陽光のエネルギーを太陽電池によって電力に変換する太陽光発電がある。このような太陽光発電として、発電効率（光電変換効率）を高めて大電力を得るために、同一平面上に複数配置された太陽電池素子の前方側に、太陽光を各太陽電池素子に集光させるための集光レンズ（フレネルレンズ）を配設した構成の集光型太陽光発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　集光型太陽光発電装置は、集光レンズで太陽光を集光して太陽電池素子に受光させる構成により、高価な太陽電池素子のサイズを小さくできるので、発電装置全体の低コスト化を図ることができる。このため、集光型太陽光発電装置は、日照時間が長く、集光面を大面積化しても設置可能な広大な地域などで、電力供給用途として普及しつつある。
　ところで、集光型太陽光発電装置による発電に適した地域（日照時間が長く、集光面を大面積化しても設置可能な広大な地域）として、例えば、米国の南西部（ネバダ州など）、中東、中国の内陸部などが挙げられる。これらの地域では、年間を通じて強風が吹くことがしばしばあり、しかも周囲に砂漠地帯が広がっているため、砂塵によってケイ素を主成分とする微細な砂粒子が空気中に巻き上げられる。
　例えば、非特許文献１には、中東のサウジアラビアでは２０ｍ／ｓｅｃの風速において地上１ｍの高さで粒径約４０μｍ、地上２０ｍの高さで粒径約２０μｍの砂粒子が含まれていると記載されている。
　また、例えば、非特許文献２には、集光型太陽電池用フレネルレンズの材料が、透過率と耐傷付き性に優れるアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）の場合でも、ガラスと比較すると砂塵に対する耐久性は低く、風速の強い状況で砂粒子が衝突すると傷が付き、曇り度（ヘイズ）が上昇すると記載されている。
特開２００６－３４３４３５号公報 Amosphwic Emvronmrnf Vol. 21. No 12. pp. 2723-2725. 1987 Solar Energy 86 (2012) 3021-3025
　ところで、例えば平均粒径２０μｍの砂粒子が、２０ｍ／ｓｅｃの風速で有機性樹脂からなるプラスチック基板に衝突すると、プラスチック基板の表面に傷が発生する。また、ガラス基板はプラスチック基板よりも耐砂塵性が良いことが知られている。
　また、集光型太陽光発電装置で用いられる基板材料には、発電効率を高めるために光透過率が高くかつ太陽光で劣化しないことが求められる。そのため、透過性基板の材質として、一般的にアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂、シリコーン樹脂などが用いられている。
　しかしながら、ポリカーボネート樹脂はアクリル樹脂と比較して耐光性がなく、また、表面傷つき性の耐久力がないため適していない。また、ガラス基板は、プラスチック基板と比較して比重が大きく、同じ面積において重量が増加する。更に、集光型太陽光発電装置では、太陽光を追尾するための追尾装置が必要であり、ガラス基板を用いることで装置全体の重量が大きくなると、追尾装置の破損等につながりやすくなるため望ましくない。
　また、透過率と耐傷付き性に優れるアクリル樹脂においても、風速の強い状況で砂粒子が衝突すると表面に傷が付き、曇り度（ヘイズ）が上昇する。
　このため、集光型太陽光発電装置で用いられる透過性基板をアクリル樹脂で形成した場合、集光型太陽電池用の集光レンズ（例えばフレネルレンズ）において、透過性基板の曇り度が上昇することによって光が散乱する。このため、集光レンズによって太陽電池素子上に光を効率よく集光することができなくなり、発電効率の大幅な低下につながる。例えば、透過性基板の曇り度が１０％上昇すると、発電効率は約１０％程度低下する。
　特に集光型太陽光発電装置は長期（例えば１０年以上）にわたって発電量を安定して維持することが求められるため、透過性基板の耐傷つき性は、砂塵が多く存在する地域においては重要な課題である。
　そこで、本発明は、風速の強い状況で砂粒子等が衝突しても傷が付きにくい耐傷付き性に優れた光学素子、設計方法及び集光型太陽光発電装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成するために請求項１に記載の光学素子は、太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層は、無機成分が８０質量％以上含まれ、かつ０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みで形成されていることを特徴としている。
　請求項２に記載の光学素子は、前記薄膜層の材料屈折率が、有機性樹脂からなる前記透光性基板よりも、０．０１以上小さいことを特徴としている。
　請求項３に記載の光学素子は、前記集光レンズ素子が、フレネルレンズパターンが形成されたフレネルレンズ素子であることを特徴としている。
　請求項４に記載の設計方法は、太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層を形成するにあたり、平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、請求項１に記載の光学素子の前記透光性基板の第１面に対して、該珪砂の噴射方向と前記透光性基板の主面の法線成す角度が０度と４５度の条件において、１０秒間衝突させた時に、珪砂の衝突前から衝突後における前記透光性基板の曇り度の上昇率が、前記角度が０度と４５度ともに１０％以下となるように、前記薄膜層の組成と厚みを決定することを特徴としている。
　請求項５に記載の設計方法は、太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層を形成するにあたり、平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、請求項１に記載の光学素子の前記透光性基板の第１面に対して、該珪砂の噴射方向と前記透光性基板の主面の法線成す角度が４５度の条件において、１０秒間衝突させた後IEC62106に定められる氷結試験後に、氷結試験前から氷結試験後における曇り度の上昇率が５％以下となるように、前記薄膜層の組成と厚みを決定することを特徴としている。
　請求項７に記載の発明は、太陽光を集光する光学素子と、前記光学素子により集光された太陽光を受光して光電変換する太陽電池素子を備えた集光型太陽光発電装置において、前記光学素子は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子であることを特徴としている。
　請求項１に記載の光学素子によれば、太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、透光性基板の第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、透光性基板の第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、薄膜層は、無機成分が８０質量％以上含まれ、かつ０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みで形成されているので、透光性基板の太陽光入射側の表面の硬度をガラス並みに硬くすることができる。
　これにより、風速の強い状況で砂粒子等が透光性基板に衝突しても、透光性基板に傷がつくことが低減され、曇り度が向上することを防ぐことができる。
　ところで、薄膜層の厚みが０．５μｍよりも薄くなると、硬度が維持できなくなり、耐傷付き性の効果が小さくなる。また、３．０μｍ以上に厚くした場合は、耐傷付き性は維持されるが、衝撃により傷が発生した場合に衝撃によってクラックが深く発生し、曇り度が上昇する問題がある。
　また、薄膜層の厚みが厚くなると、野外暴露時の温度変化にさらされた場合、透光性基材と薄膜層の各材料の線膨張率差により薄膜層に応力が付与され、薄膜層にクラックが発生する。そのため、薄膜層の厚みは、硬度の保てる０．５μｍ以上で、かつ砂塵の衝突や温度変化によってクラックの発生が抑制される３．０μｍ以下で形成することが望ましい。
　また、薄膜層の無機成分が８０質量％以上含まれない組成の場合は、野外暴露時の太陽光の紫外線によって薄膜層の黄変が発生し、３００～６００ｎｍ程度の波長範囲で、光透過率の低下率が大きくなる。特に、集光型太陽光発電装置で主流となっている３接合太陽電池素子（太陽電池セル）にとって、短波長を吸収する太陽電池素子に入射する光の割合が低下する。３接合太陽電池素子の中の一つのセルの発電量が変化すると、他のセルへの発電量にも影響を及ぼす。そのため、部分的な透過率低下は大幅な発電効率の低下に繋がる。
　更に、本発明の請求項１では、薄膜層の無機成分が８０質量％以上含まれていることによって、太陽光の紫外線が長時間照射されても黄変を小さくすることができる。このため、薄膜層の無機成分は、望ましくは９０質量％以上含まれるとさらに耐紫外線性が向上する。
　また、請求項２に記載の光学素子によれば、薄膜層の材料屈折率を、有機性樹脂からなる透光性基板よりも、０．０１以上小さくしているので、表面反射が低減し、光の透過率が向上して太陽電池素子の発電効率向上につながる。
　また、請求項３に記載の光学素子によれば、集光レンズ素子は、フレネルレンズパターンが形成されたフレネルレンズ素子であるので、効率よく太陽光を太陽電池素子上に集光させることができる。
　また、請求項４に記載の設計方法では、太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層を形成するにあたり、平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、請求項１に記載の光学素子の前記透光性基板の第１面に対して、該珪砂の噴射方向と前記透光性基板の主面の法線成す角度が０度と４５度の条件において、１０秒間衝突させた時に、珪砂の衝突前から衝突後における前記透光性基板の曇り度の上昇率が、前記角度が０度と４５度ともに１０％以下となるように、前記薄膜層の組成と厚みを決定する。
　更に、請求項５に記載の設計方法では、太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層を形成するにあたり、平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、請求項１に記載の光学素子の前記透光性基板の第１面に対して、該珪砂の噴射方向と前記透光性基板の主面の法線成す角度が４５度の条件において、１０秒間衝突させた後IEC62106に定められる氷結試験後に、氷結試験前から氷結試験後における曇り度の上昇率が５％以下となるように、前記薄膜層の組成と厚みを決定する。
　このようにして薄膜層の組成と厚みを決定することで、以下のような利点がある。
　前記非特許文献２では、基板の主面の法線を、砂の噴射方向に対して４５度の角度で試験を行っている。ガラスのように硬度が高い透光性基板は、砂の衝撃力が一定以下では対傷つき性が高いが、衝撃力が強くなると急激に傷がつきやすくなり、曇り度が上昇することが分かった。特に、野外に光学素子を設置した場合、砂塵はあらゆる方向から衝突するために、透光性基板の主面の法線を、砂の進行方向に対して０度に対しても傷がつき難い光学素子が求められる。
　また、樹脂基板のように、ガラスと比較して硬度の小さな基板は、４５度の角度においても衝突する砂が基板を傷つける衝撃力を維持している為、砂の衝突する頻度にほぼ比例して曇り度が上昇する。しかし、４５度以上の角度になると、衝撃力が非常に弱く、曇り度の上昇は非常に小さくなるため、発電に影響を及ぼさなくなる。
　そのために、透明樹脂基板の主面の法線を、砂の進行方向に対して０度と４５度の角度に設定した場合において、曇り度の上昇を小さくする、透明樹脂基板上の薄膜層の構造（組成と厚み）を選択することが重要となる。
　また、本発明に係る集光型太陽光発電装置によれば、本発明に係る光学素子を有しているので、風速の強い状況で砂粒子等が透光性基板に衝突しても、透光性基板に傷がつくことが低減され、曇り度が向上することを防ぐことができる。よって、砂塵が多く存在する地域においても、長期にわたって発電量を安定して維持することができる。
本発明の実施形態に係る光学素子を備えた集光型太陽光発電装置の概略構成を示す断面図。 本発明の実施形態に係る集光型太陽光発電装置の太陽光入射側から見た概要を示す平面図。 透光性基板表面の薄膜層の耐傷付き性（曇り度）を評価するための装置を示した図。 透光性基板表面の薄膜層の耐傷付き性（曇り度）を評価するための装置を示した図。
　以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光学素子を備えた集光型太陽光発電装置の概略構成を模式的に示した概略断面図である。
〈集光型太陽光発電装置の全体構成〉
　図１に示すように、本実施形態に係る集光型太陽光発電装置１は、受光した太陽光を光電変換する太陽電池素子（太陽電池セル）２と、該太陽電池素子２が実装された太陽電池基板３と、太陽電池素子２の前方側（太陽光入射側）に対向するようにして配置され、太陽光を集光する光学素子４とを主要構成部材として備えている。なお、図１において、Ｌ１は光学素子４に入射する太陽光、Ｌ２は光学素子４で集光された太陽光を示している。
　光学素子４は、太陽光入射側に設けた透光性基板５と、該透光性基板５の出射側（太陽電池素子２と対向する側）の面に接着された透光性を有するシート状の集光レンズ素子としてのフレネルレンズ素子６とで構成されている。フレネルレンズ素子６で集光された光は太陽電池素子２上に入射される。また、透光性基板５の太陽光入射側の面（以下、「表面」という）には、その表面の保護等ために、透光性基板５と異なる組成の薄膜層７が形成されている（本発明の特徴である薄膜層７の詳細については後述する）。
　この集光型太陽光発電装置１は、図２に示すように、太陽電池基板３（図１参照）上に一定間隔で複数の太陽電池素子２が実装され、また各太陽電池素子２とそれぞれ対向するようにして複数の光学素子４が同一平面上に一体的に設けられている。なお、図２では、太陽電池素子２（光学素子４）の数を１２（縦横：３×４）個しか示していないが、実際には多数の太陽電池素子２と光学素子４によって、大サイズの集光型太陽パネルを構成している。
　各太陽電池素子２と各光学素子４は、精度よく位置決めされて配置されており、また太陽電池基板３と光学素子４との間の側面周囲等は、太陽電池基板３と光学素子４との間の空間内部に湿気（水分）や塵等が侵入しないように封止されている。なお、対向配置される太陽電池素子２と光学素子４の数や大きさは、集光型太陽光発電装置１のサイズや設置場所等によって任意に設定される。
　前記光学素子４は、太陽光で利用できる波長域（３５０～１８５０ｎｍ程度）において光透過率が高く、かつ透明であることが求められる。集光型太陽光発電装置１では、光学素子４の主面に垂直な方向から進入した光のみがフレネルレンズ素子６の屈折作用で集光されて利用される。
　ところで、光学素子４を構成する透光性基板５の表面側は自然環境に曝されるので、例えば、風速の強い状況で砂粒子等が透光性基板５の表面に衝突すると傷が付き、曇り度（ヘイズ）が上昇する。そのため、透光性基板５の曇り度が上昇すると光が散乱され、光が効率よく集光できず発電効率が大幅に低下する。
　曇り度（ヘイズ）は、以下の式で求められる。
　曇り度＝（散乱光／全光線透過光）×１００（％）
　即ち、この散乱光は、透光性基板５表面によって散乱された光であり、曇り度は、透光性基板５を透過する全光線透過光に対する透光性基板５表面での散乱光の割合である。
　なお、曇り度は、プラスチック－透明材料のヘイズの求め方（JIS K 7136）で規定されている方法で測定を行う。曇り度が高いと散乱光の割合が増加し、この散乱光は光学素子４を透過して太陽電池素子２に入射することができないため、発電効率が低下する。
　そのため、本発明の実施形態では、透光性基板５の表面に、風速の強い状況で砂粒子等が衝突しても傷が付きにくい耐傷付き性に優れた後述する薄膜層７を形成している。
　また、本発明では、前記薄膜層７を形成するにあたり、平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、透光性基板５の表面（太陽光入射面）に対して、該珪砂の噴射方向と透光性基板５の主面の法線成す角度が０度と４５度の条件において、１０秒間衝突させた時に、珪砂の衝突前から衝突後における透光性基板５の曇り度の上昇率が、前記角度が０度と４５度ともに１０％以下となるように、薄膜層７の組成と厚みが後述するように決定されている。
　更に、本発明では、前記薄膜層７を形成するにあたり、平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、透光性基板５の表面（太陽光入射面）に対して、該珪砂の噴射方向と透光性基板５の主面の法線成す角度が４５度の条件において、１０秒間衝突させた後IEC62106に定められる氷結試験後に、氷結試験前から氷結試験後における曇り度の上昇率が５％以下となるように、薄膜層７の組成と厚みが後述するように決定されている。
（薄膜層７の膜構造）
　透光性基板５の平坦状の表面に薄膜層７を形成する方法としては、特に規定されるものではないが、熱硬化性のハードコート性能を有するコート液を、ダイコーティング法、フローコーティング法、ディップコーティング法、スプレーコーティング法等により均一に塗工する。そして、その後、透光性基板５の表面と反対側の面に接着されているフレネルレンズ素子６表面のフレネルレンズパターン形状の角度が変わらない範囲で加熱して、熱硬化することで接着させることができる。この加熱時の温度は、透光性基板５の材料のガラス転移温度以下で実施することが望ましい。
　なお、上記の熱硬化による硬化方法以外にも、紫外線の照射による硬化方法などがある。また、ハードコート性を有するコート液を種々の方法で透光性基板５の表面に均一に塗工後、紫外線の照射で硬化させて薄膜層７を形成することもできる。
　また、薄膜層７の厚みは、０．５μｍ以上３．０μｍ以下が望ましい。薄膜層７の厚みが０．５μｍよりも薄くなると、硬度が維持できなくなり、耐傷付き性の効果が小さくなる。また、薄膜層７の厚みを３．０μｍ以上に厚くした場合は、耐傷付き性は維持されるが、衝撃により傷が発生した場合に衝撃によってクラックが深く発生し、曇り度が上昇する問題がある。
　薄膜層７を形成するこのコート液には、シリカ（ＳｉＯ２）を主成分とする無機化合物が含有する溶媒を乾燥した後に、８０重量パーセント以上、より望ましくは９０重量パーセント以上含まれることが望ましい。有機成分が多い場合、野外暴露時に紫外線により有機成分が分解されて薄膜の劣化や黄変による発電効率の低下につながる。
　無機化合物（無機成分）としては、広い波長範囲にわたって光透過率が高いシリカや酸化チタン、酸化タングステン等の酸化化合物が望ましい。なお、酸化化合物の屈折率が高くなると、界面反射が多くなり発電効率の低下につながるため、酸化化合物の材料は屈折率の低いシリカ系を用いることがより望ましい。
　また、コート液には、無機成分同士の接着を促すために、少量の有機成分を含むほうが、薄膜を均一に形成しやすく、また有機成分が主体である透光性基板５との密着性が向上し、透光性基板５から薄膜層７が剥離することを防ぐことができる。
　透光性基板５から薄膜層７が剥離すると、剥離面で反射する光が増加し、太陽電池素子２まで到達する光量が減少する。また、強風によって砂粒子が透光性基板５の表面の薄膜層７に衝突した衝撃で、この薄膜層７が剥がれる可能性が高くなり、透光性基板５の曇り度が増加して発電効率の低下につながる。
　また、透光性基板５にコート液を塗工する前に、透光性基板５の表面をプラズマ処理して表面改質することで、透光性基板５と薄膜層７の密着性をより高めることができる。なお、プラズマ処理以外にも、エキシマ処理やコロナ処理を施しても表面改質することができる。
　また、透光性基板５の表面の薄膜層７に対して、JIS規格K5600-5-6（ISO 2409：1992）に基づいてクロスハッチテストを行った。テスト後の薄膜層７の剥離を調べた結果、剥離は生じていなく、透光性基板５と薄膜層７は良好に密着していた。
　なお、透光性基板５と薄膜層７との密着性が低いと、砂粒子などが衝突した場合に薄膜層７の剥離が起こる。また、外気での熱変化によって、透光性基板５と薄膜層７に応力が発生した場合に界面での剥離が発生する。どちらの場合も透光性基板５の曇り度の上昇につながり発電効率の低下となるため、透光性基板５と薄膜層７を良好に密着性させる必要がある。
　また、薄膜層７の材料屈折率を、有機性樹脂からなる透光性基板５よりも、０．０１以上小さくすることが望ましい。薄膜層７の材料屈折率を透光性基板５よりも、０．０１以上小さくすることで、表面反射が低減し、光の透過率が向上して太陽電池素子の発電効率向上につながる。
　砂塵等によって砂粒子が光学素子４に衝突する際の光学素子４の耐傷付き性、即ち、透光性基板５の表面に形成した薄膜層７の耐傷付き性を評価するために、例えば以下のような装置、及び方法を用いることができる。
　透光性基板５表面の薄膜層７の耐傷付き性（曇り度）を評価する場合、例えば図３Ａに示すように、砂粒子Ｓが充填された容器１０の上部吸入口１０ａと下部排出口１０ｂに、配管１１ａ，１１ｂを通して圧縮空気を導入させ、この圧縮空気によって砂粒子Ｓをノズル１２の先端から、所定距離を設けて前方側に配置した透光性基板５の表面（薄膜層７）に向けて噴射させる。
　この際、透光性基板５の表面（薄膜層７）付近における圧縮空気の風速が２０ｍ／ｓｅｃとなるように、容器１０の上部吸入口１０ａと下部排出口１０ｂに導入される圧縮空気の圧力を調整する。そして、透光性基板５の表面（薄膜層７）付近に対して、１０秒間２０ｍ／ｓｅｃの風速で圧縮空気を噴射させた。この際、ノズル１２の先端と透光性基板５の表面（薄膜層７）間の距離やノズル１２の先端からの噴射範囲等を調整して、透光性基板５の表面（薄膜層７）付近での砂粒子Ｓの密度が１．９ｇ／ｍ３程度となるようにしている。
　なお、図３Ａでは、ノズル１２の先端から噴射される圧縮空気（砂粒子）の方向に対して、透光性基板５の表面（薄膜層７）が垂直となって配置されており、この状態での透光性基板５の角度（α）を０度とする。
　また、図３Ｂでは、ノズル１２の先端から噴射される圧縮空気（砂粒子）の方向に対して、透光性基板５の表面（薄膜層７）が４５度傾斜して配置されており、この状態での透光性基板５の角度（α）を４５度とする。このように、圧縮空気（砂粒子）の進行方向に対して透光性基板５の主面の法線角度が、０度又は４５度となるように配置する。なお、透光性基板５は配置した角度で動かないように保持される。
　そして、以下の実施例（実施例１、比較例１～３）に示したように、透光性基板５の表面（薄膜層７）の角度（α）が０度と４５度の場合に上記の条件で砂粒子を含んだ圧縮空気を吹き付けて、薄膜層７の耐傷付き性を、ＪＩＳ規格（JIS K 7136）に基づいて曇り度の測定によって評価する。
　次に、前記した本発明の透光性基板５の表面に形成した薄膜層７の耐傷付き性を曇り度によって評価するために、以下に示す本発明の実施例１と比較用の比較例１～３の構成を有する薄膜層を表面に形成した透光性基板で、曇り度（％）の評価を行った。また、比較例４は、IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2に定められる氷結試験による評価と、紫外線による劣化評価である。なお、表１は、実施例１と比較用の比較例１～３における、薄膜層７の耐傷付き性（曇り度）の評価結果である。
〈実施例１〉
　実施例１では、厚み３ｍｍ、面積１ｍ２のメタクリル樹脂からなる透明樹脂基板の上に、固形分中のシリカの体積比率が８０％以上である熱硬化性のSDC社製Crystal Coat MP-101の塗工液を、スプレーコート法によって均一に塗工して５分間自然乾燥後、８０℃の加熱炉で６０分間過熱乾燥を行った。
　そして、加熱によってコート液中の残存溶媒を揮発させ、かつ熱により薄膜を硬化させた。熱硬化後の薄膜層の厚みは２μｍで、屈折率は基板の樹脂よりも０．０５低い。
　この実施例１において、薄膜形成前の全光線透過率は９２．５％、薄膜形成後の透過率は９３．１パーセント、曇り度は０．３％であった。薄膜層を形成することで全光線透過率が０．６％向上した。
　この薄膜層を形成した基板を、IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2に定められる氷結試験を行った結果、外観上クラック等の発生は見られなかった。
　また、この薄膜層を形成した基板に、竹折砿業所社製の９号硅砂（平均粒子径４８μｍ）を用いて、硅砂の空気中密度が１．９ｇ／ｍ３、風速２０ｍ／ｓｅｃの条件で、図３Ａ，図３Ｂに示したように、圧縮空気（砂粒子Ｓ）の進行方向に対して、基板の主面の法線のなす角度（α）が０度と４５度の２条件で硅砂を１０秒間吹きつけ処理を行った後、曇り度の測定を行った。
　実施例１の測定では、α＝０度の場合の曇り度は４．４％、α＝４５度の場合の曇り度は４．４％であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜比較例１>
　比較例１では、厚み３ｍｍ、面積１ｍ２のメタクリル樹脂からなる透明樹脂基板を用いて、その表面に薄膜層を作製しないこと以外は実施例１と同様の条件で試験を行った。
　この透明樹脂基板の全光線透過率は９２．５％、曇り度は０．５％であった。そして、この透明樹脂基板を、IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2に定められる氷結試験を行った結果、外観上クラック等の発生は見られなかった。
　また、実施例１と同様の条件で、図３Ａ，図３Ｂに示したように、圧縮空気（砂粒子Ｓ）の進行方向に対して、基板の主面の法線のなす角度（α）が０度と４５度の２条件で硅砂を１０秒間吹きつけ処理を行った後、曇り度の測定を行った。
　比較例１の測定では、α＝０度の場合の曇り度は１６．８％、α＝４５度の場合の曇り度は１７．７％であり、実施例１と比べると、α＝０度、４５度のどちらも曇り度が上昇した。
＜比較例２>
　比較例２では、厚み３ｍｍ、面積１ｍ２の熱強化ガラス(B270)を用いて、薄膜層を作製しないこと以外は実施例１と同様の条件で試験を行った。
　この透明樹脂基板の全光線透過率は９１．８％、曇り度は０．４％であった。そして、この透明樹脂基板を、IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2に定められる氷結試験を行った結果、外観上クラック等の発生は見られなかった。
　また、実施例１と同様の条件で、図３Ａ，図３Ｂに示したように、圧縮空気（砂粒子Ｓ）の進行方向に対して、基板の主面の法線のなす角度（α）が０度と４５度の２条件で硅砂を１０秒間吹きつけ処理を行った後、曇り度の測定を行った。
　比較例２の測定では、α＝０度の場合の曇り度は８．７％、α＝４５度の場合の曇り度は３．３％であり、実施例１と比べると、α＝０度では曇り度が上昇した。
＜比較例３>
　比較例３では、厚み３ｍｍ、面積１ｍ２のメタクリル樹脂からなる透明樹脂基板の上に、作製した薄膜層の厚みを５μｍとしたこと以外は実施例１と同様の条件で試験を行った。
　この基板の４００～８００ｎｍ波長範囲の透過率は９３．２％、曇り度は０．４％であった。そして、この基板を、IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2に定められる氷結試験を行った結果、外観上クラック等の発生が見られた。
　また、実施例１と同様の条件で、図３Ａ，図３Ｂに示したように、圧縮空気（砂粒子Ｓ）の進行方向に対して、基板の主面の法線のなす角度（α）が０度と４５度の２条件で硅砂を１０秒間吹きつけ処理を行った後、曇り度の測定を行った。
　比較例３の測定では、α＝０度の場合の曇り度は２．１％、α＝４５度の場合の曇り度は５．５％であり、実施例１と比べた場合、薄膜層の厚みによる耐傷付き性への影響は見られなかった。
＜比較例４>
　比較例４では、厚み３ｍｍ、面積１ｍ２のメタクリル樹脂からなる透明樹脂基板の上に、固形分中のシリカの体積比率が８０％未満であるＵＶ硬化性樹脂をスプレーコート法によって均一に塗工し、紫外線を１０Ｊ照射することで、硬化させて厚み２μｍの薄膜層を形成した。そして、熱硬化後の薄膜層の厚みは２μmとした以外は実施例１と同様の条件で試験を行った。
　この基板（透明樹脂基板）の全光線透過率は９２．１％、曇り度は０．４％であった。そして、この透明樹脂基板を、IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2に定められる氷結試験を行った結果、外観上クラック等の発生は見られなかった。
　また、比較例４において、メタルハライドランプを用いて、紫外線を含む光線を１ｋＷ／ｍ２の照度で９００時間照射した場合、黄色度が２９．１となり、紫外線による劣化が認められた。なお、実施例１で用いたサンプルで同様の試験を行った場合では、黄色度は６．１であり、紫外線による劣化は認められなかった。
　このように、実施例１における薄膜層の層構成によれば、曇り度の上昇を低減することができる。よって、風速の強い状況で砂粒子等が衝突しても傷が付きにくい耐傷付き性に優れた光学素子４（太陽光入射面に薄膜層７を形成し、太陽光出射面にフレネルレンズ素子６を形成した透光性基板５）を提供することができる。
　更に、この光学素子４を備えた本実施形態の集光型太陽光発電装置１は、光学素子４が耐傷付き性に優れているので、砂塵が多く存在する地域においても、長期にわたって発電量を安定して維持することができる。
関連出願の相互参照
　本願は、２０１３年４月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－０８３４２８号に基づく優先権を主張し、その全ての開示は完全に本明細書で参照により組み込まれる。
　１　　　　集光型太陽光発電装置
　２　　　　太陽電池素子
　４　　　　光学素子
　５　　　　透光性基板
　６　　　　フレネルレンズ素子
　７　　　　薄膜層

Claims (7)

  1. 　太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、
    　前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、
    　前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、
    　前記薄膜層は、無機成分が８０質量％以上含まれ、かつ０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚みで形成されていることを特徴とする光学素子。
  2. 　前記薄膜層の材料屈折率が、有機性樹脂からなる前記透光性基板よりも、０．０１以上小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記集光レンズ素子は、フレネルレンズパターンが形成されたフレネルレンズ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 　太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層を形成するにあたり、
    　平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、請求項１に記載の光学素子の前記透光性基板の第１面に対して、該珪砂の噴射方向と前記透光性基板の主面の法線成す角度が０度と４５度の条件において、１０秒間衝突させた時に、珪砂の衝突前から衝突後の前記透光性基板の曇り度の上昇率が、前記角度が０度と４５度ともに１０％以下となるように、前記薄膜層の組成と厚みを決定することを特徴とする設計方法。
  5. 　太陽光が入射する平面状の第１面と入射した太陽光が出射する平面状の第２面とを有する有機性樹脂からなる透光性基板と、前記透光性基板の前記第１面に形成した、該透光性基板と異なる組成の薄膜層と、前記透光性基板の前記第２面に形成した、集光レンズ機能を有するシート状の集光レンズ素子とを備えた太陽光集光用の光学素子であって、前記薄膜層を形成するにあたり、
    　平均粒子径４０～５０μｍで、シリカ成分を８０質量％以上含む珪砂を、風速２０ｍ／ｓｅｃ、かつ密度１．９ｇ／ｍ３の条件で、請求項１に記載の光学素子の前記透光性基板の第１面に対して、該珪砂の噴射方向と前記透光性基板の主面の法線成す角度が４５度の条件において、１０秒間衝突させた後IEC62106に定められる氷結試験後に、氷結試験前から氷結試験後曇り度の上昇率が５％以下となるように、前記薄膜層の組成と厚みを決定することを特徴とする設計方法。
  6. 　前記薄膜層が、無機成分を含むものであることを特徴とする請求項４又は５に記載の設計方法。
  7. 　太陽光を集光する光学素子と、前記光学素子により集光された太陽光を受光して光電変換する太陽電池素子を備えた集光型太陽光発電装置において、
    　前記光学素子は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子であることを特徴とする集光型太陽光発電装置。
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