JP2007048910A - Concentrating solar power generation module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、集光型太陽光発電モジュールの技術に関し、より具体的には集光型太陽光発電モジュールの太陽電池セル形状および集光光学系に関する。 The present invention relates to a technology of a concentrating solar power generation module, and more specifically to a solar cell shape and a condensing optical system of the concentrating solar power generation module.
近年、エネルギー資源枯渇の問題や大気中のCO2増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギーの開発が望まれており、太陽電池を用いた太陽光発電が新しいエネルギー源として開発、実用化されている。太陽光発電システムは、更なる普及のため低コスト化が望まれている。また、現在の伸び率で拡大していくと、現在主流となっているシリコン(Si)太陽電池の原材料の不足が危惧される。集光型太陽光発電システムは、太陽電池セルの使用量を低減すると共に、低コスト太陽光発電システムとして有望である。 In recent years, development of clean energy has been demanded due to problems of depletion of energy resources and global environmental problems such as increased CO 2 in the atmosphere. Solar power generation using solar cells has been developed and put to practical use as a new energy source. Has been. The solar power generation system is desired to be reduced in cost for further spread. Moreover, when expanding at the current rate of growth, there is a concern that the raw materials for silicon (Si) solar cells, which are currently mainstream, are insufficient. The concentrating solar power generation system is promising as a low-cost solar power generation system while reducing the usage amount of solar cells.
集光システムには、点集光型と線集光型があるが、以下には点集光型システムについて、図を用いて説明する。 There are two types of condensing systems: a point condensing type and a line condensing type. Hereinafter, the point condensing type system will be described with reference to the drawings.
図16は、従来の集光型太陽光発電モジュールの概略図であり、図17は従来の集光型太陽光発電モジュールの概略断面図である。直方体形状のケース11の太陽光入射側にフレネルレンズ12aがアレイ状に複数個設置されている。個々のフレネルレンズ12aには、それぞれに対応する太陽電池セル14が設置されている。フレネルレンズ12aにより集光された光を太陽電池セル14に入射させるためには、太陽光13がフレネルレンズ12aに垂直に入射するように設定する必要がある。
FIG. 16 is a schematic view of a conventional concentrating solar power generation module, and FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of the conventional concentrating solar power generation module. A plurality of Fresnel lenses 12 a are arranged in an array on the sunlight incident side of the rectangular
太陽光13がフレネルレンズ12aに垂直に入射するように設定するためには、ケース11全体が常に太陽方向を向くように追尾する必要がある。一般的には、ケース11とシステム設置面の間に2つの回転軸を設け、モータあるいは油圧駆動によりその2軸を回転駆動させ太陽追尾を行う。太陽方位、太陽高度は、太陽軌道の式と設置場所の緯度、経度、時刻により計算され、前記駆動系を制御することにより太陽追尾が行われる。
In order to set so that the
フレネルレンズ12aに入射した太陽光13は、フレネルレンズ12aにより集光され、フレネルレンズ12aと対向するケース11の一面で太陽電池セル14を支持する支持板部11aに設置された太陽電池セル14に照射される。フレネルレンズ12aの材質の屈折率は一般的には長波長ほど屈折率が小さいため、フレネルレンズ12aにより集光された光は、太陽電池セル14の受光面内において光強度分布を有するいわゆる色収差の問題がある。この問題を改善するため、従来は、レンズあるいはプリズム等からなる2次光学系を用いて、その分布を低減する方法が提案されている。
The
特許文献1には、太陽電池セルに向けて小径となるテーパ状側面を有する四角形断面のプリズム2次光学系を用いて、その一端に1次レンズにより集光された太陽光を入射し、他端に設置された太陽電池に光を導く構造において、前記光入射端面に光拡散部を設けた構造が開示されている。この構造によると、1次レンズによって集光された太陽光がプリズムによって太陽電池に導かれるため、効率よく太陽電池セルに導かれると共に、前記拡散部によって光が拡散されるため、色収差による光強度分布が改善されるという記述がある。また、1次レンズにより集光された光が前記プリズムの光入射端の面内に入射すれば良いため、その範囲内において焦点のずれ、追尾のずれは許容されるといった利点がある。
In
また、特許文献2には、太陽電池セル表面上に多峰性の2次集光レンズを取り付けることにより、太陽追尾のトラッキング誤差、色収差を改善するといった方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1の集光型太陽光発電モジュールの構造においては、2次光学系としてプリズムを用いており、プリズム内において光を全反射させる必要があり、前記プリズムへの入射角を小さくする必要があるため、1次レンズと前記プリズムの距離を大きくとる必要がある。すなわち、モジュールの厚みが厚くなり、モジュールの大型化を招いてしまうといった問題がある。また、前記プリズムにおける透過・反射損失により太陽電池セルへの入射光量が減少するといった問題がある。
However, in the structure of the concentrating solar power generation module of
特許文献2の集光型太陽光発電モジュールの構造においては、モジュールを小型化する目的で1次レンズと太陽電池セルを近づけた場合、太陽電池セルあるいは2次集光レンズへの入射角が大きくなり、2次集光レンズあるいは太陽電池セル表面における反射率が大きくなるため、太陽電池セルの出力が低下するといった問題がある。
In the structure of the concentrating solar power generation module of
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、モジュール厚の薄型化を図るとともに、太陽電池セル表面における表面反射を抑え、かつ色収差により生じる光強度分布を低減することにより、薄型、高変換効率である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。 The present invention has been made in view of the above points, and is thin and highly converted by reducing the thickness of the module, suppressing surface reflection on the surface of the solar cell, and reducing the light intensity distribution caused by chromatic aberration. An object is to provide a concentrating solar power generation module that is efficient.
上記目的を達成するために本発明は、太陽光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光が照射される太陽電池セルを有する集光型太陽光発電モジュールであって、前記集光レンズの焦点は前記集光レンズと前記太陽電池セルの間に位置し、前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凹形状に湾曲している構造とした。 In order to achieve the above object, the present invention is a concentrating solar power generation module having a condensing lens for condensing sunlight and a solar battery cell irradiated with light condensed by the condensing lens. The focal point of the condenser lens is located between the condenser lens and the solar battery cell, and the light receiving surface of the solar battery cell is curved in a concave shape toward the condenser lens.
この構造において、集光レンズの焦点は太陽電池セルの感度波長光に対する焦点である。この構造によれば、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に凹形状に湾曲した形状とすることにより、平板型の太陽電池を設置した場合と比較して太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、前記凹形状の場合には、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。 In this structure, the focal point of the condensing lens is a focal point for the sensitivity wavelength light of the solar battery cell. According to this structure, even when the focal length of the condensing lens is designed to be short, the light-receiving surface of the solar battery cell is formed in a concave shape in the direction of the condensing lens, so that a flat plate solar cell The incident angle of light incident on the light receiving surface of the solar battery cell can be reduced as compared with the case where is installed, and the surface reflection loss can be reduced. Further, in the case of the concave shape, the distance from the focal point of the condensing lens becomes longer in the central portion of the solar cell than in the case of the flat solar cell, and the light intensity density in the central portion of the solar cell. Therefore, the uniformity of the light intensity distribution due to the chromatic aberration of the condenser lens can be improved.
また、本発明において、前記太陽電池セルは複数の光電変換層を積層した構造であり、前記光電変換層のうち前記太陽電池セルの受光面側に設けられた光電変換層(トップセル)により出力電流が制限されていることが望ましい。 Moreover, in this invention, the said photovoltaic cell is the structure which laminated | stacked the several photoelectric converting layer, and is output by the photoelectric converting layer (top cell) provided in the light-receiving surface side of the said photovoltaic cell among the said photoelectric converting layers. It is desirable that the current be limited.
この構造によれば、太陽電池セルの感度波長域における短波長光の光強度分布が長波長光の分布と比べて比較的均一に分布するため、短波長光に感度を有するトップセルにおいて出力電流が制限されている多接合型太陽電池セルを用いることにより、受光面内における太陽電池セル出力の不均一性が改善されるため、結果として多接合型太陽電池セル全体の出力を向上することができる。 According to this structure, since the light intensity distribution of the short wavelength light in the sensitivity wavelength region of the solar battery cell is distributed relatively uniformly compared to the distribution of the long wavelength light, the output current in the top cell sensitive to the short wavelength light. By using multi-junction solar cells that are limited, the non-uniformity of the solar cell output within the light-receiving surface is improved. As a result, the output of the entire multi-junction solar cell can be improved. it can.
また、本発明は、太陽光を集光する集光レンズと前記集光レンズにより集光された光が照射される太陽電池セルを有する集光型太陽光発電モジュールであって、前記集光レンズの焦点は前記太陽電池セルの裏面側に位置し、前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凸形状に湾曲している構造とした。 Further, the present invention is a concentrating solar power generation module having a condensing lens that condenses sunlight and a solar battery cell irradiated with light collected by the condensing lens, the condensing lens The focal point is located on the back side of the solar battery cell, and the light receiving surface of the solar battery cell is curved in a convex shape toward the condenser lens.
この構造において、集光レンズの焦点は太陽電池セルの感度波長光に対する焦点である。この構造によれば、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に凸形状に湾曲した構造とすることにより、太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を平板型の太陽電池を設置した場合と比較して小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、前記凸形状の場合には、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。さらに、前記凹形状とした場合よりも、太陽電池セルを集光レンズに近づけることができるため、集光型太陽光発電モジュールの更なる薄型化が可能となる。 In this structure, the focal point of the condensing lens is a focal point for the sensitivity wavelength light of the solar battery cell. According to this structure, even when the focal length of the condensing lens is designed to be short, the light receiving surface of the solar battery cell is curved in a convex shape in the direction of the condensing lens. The incident angle of light incident on the surface can be reduced as compared with the case where a flat plate type solar cell is installed, and surface reflection loss can be reduced. Further, in the case of the convex shape, the distance from the focal point of the condensing lens is longer at the central portion of the solar cell than in the case of the flat solar cell, and the light intensity density at the central portion of the solar cell Therefore, the uniformity of the light intensity distribution due to the chromatic aberration of the condenser lens can be improved. Furthermore, since the solar battery cell can be brought closer to the condensing lens than in the case of the concave shape, the concentrating solar power generation module can be further reduced in thickness.
また、本発明は、前記太陽電池セルは、複数の光電変換層を積層した構造であり、前記光電変換層のうち前記太陽電池セルの裏面側に設けられた光電変換層(ボトムセル)により出力電流が制限されていることが望ましい。 Moreover, this invention is a structure where the said photovoltaic cell laminated | stacked the several photoelectric converting layer, and output current is output by the photoelectric converting layer (bottom cell) provided in the back surface side of the said photovoltaic cell among the said photoelectric converting layers. It is desirable to be restricted.
この構造によれば、太陽電池セルの感度波長域における長波長光の光強度分布が短波長光の分布と比べて比較的均一に分布するため、長波長光に感度を有するボトムセルにおいて出力電流が制限されている多接合型太陽電池セルを用いることにより、受光面内における太陽電池セル出力の不均一性を低減することができるため、結果として多接合型太陽電池セル全体の出力を向上することができる。 According to this structure, the light intensity distribution of the long wavelength light in the sensitivity wavelength region of the solar battery cell is distributed relatively uniformly as compared with the distribution of the short wavelength light, so that the output current is reduced in the bottom cell sensitive to the long wavelength light. By using limited multi-junction solar cells, non-uniformity of solar cell output within the light-receiving surface can be reduced, and as a result, the output of the entire multi-junction solar cell can be improved. Can do.
また、本発明において、前記集光レンズは線集光型であり、前記集光レンズの焦線に垂直な面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面形状は、湾曲していることが望ましい。 In the present invention, the condensing lens is a line condensing lens, and the cross-sectional shape of the light receiving surface of the solar cell cut by a surface perpendicular to the focal line of the condensing lens is curved. desirable.
この構造によれば、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に湾曲した形状とすることにより、平板型の太陽電池を設置した場合と比較して太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。 According to this structure, even when the focal length of the condensing lens is designed to be short, the flat solar cell is installed by making the light receiving surface of the solar cell curved in the direction of the condensing lens. Compared to the case, the incident angle of light incident on the light receiving surface of the solar battery cell can be reduced, and the surface reflection loss can be reduced. In addition, compared to the case of a flat plate solar cell, the distance from the focal point of the condensing lens becomes longer as the solar cell central portion, so that the light intensity density of the solar cell central portion can be kept low, The uniformity of the light intensity distribution due to the chromatic aberration of the condenser lens can be improved.
また、本発明において、前記集光レンズは線集光型であり、前記集光レンズの焦線を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面は、前記集光レンズの焦線と平行であることが望ましい。 In the present invention, the condensing lens is a line condensing type, and the cross section of the light receiving surface of the solar cell cut by the surface including the focal line of the condensing lens is the focal line of the condensing lens. It is desirable to be parallel.
この構造によれば、太陽電池セル受光面に照射される光の焦線方向の光強度分布の均一化を図ることができる。 According to this structure, it is possible to make the light intensity distribution in the focal line direction of the light irradiated to the solar cell light receiving surface uniform.
また、本発明において、前記太陽電池セルの受光面は、前記集光レンズの焦線を中心とする略円筒面上に位置することが望ましい。 In the present invention, it is desirable that the light receiving surface of the solar battery cell is located on a substantially cylindrical surface centered on the focal line of the condenser lens.
この構造によれば、集光レンズにより屈折された光の太陽電池セル受光面への入射角を小さくすることができるため、受光面表面における反射損失を更に低減することができる。 According to this structure, since the incident angle of the light refracted by the condenser lens to the light receiving surface of the solar battery cell can be reduced, the reflection loss on the surface of the light receiving surface can be further reduced.
また、本発明において、前記集光レンズは点集光型であり、前記太陽電池セルの受光面は直交する2方向に湾曲した形状であることが望ましい。 Moreover, in this invention, it is desirable that the said condensing lens is a point condensing type | mold and the light-receiving surface of the said photovoltaic cell is a shape curved in two orthogonal directions.
この構造によれば、太陽電池セルの受光面を直交した2方向に湾曲した凹面形状あるいは凸面形状とすることにより、集光率を高めると共に、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズの方向に湾曲した形状とすることにより、平板型の太陽電池を設置した場合と比較して太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低く抑えることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。 According to this structure, the light receiving surface of the solar battery cell is formed into a concave shape or a convex shape curved in two orthogonal directions, thereby increasing the light collection rate and reducing the focal length of the condensing lens. By making the light receiving surface of the solar battery cell curved in the direction of the condenser lens, the incident angle of light incident on the light receiving surface of the solar battery cell compared to the case where a flat plate solar battery is installed can be obtained. The surface reflection loss can be reduced. In addition, compared to the case of a flat plate solar cell, the distance from the focal point of the condensing lens becomes longer as the solar cell central portion, so that the light intensity density of the solar cell central portion can be kept low, The uniformity of the light intensity distribution due to the chromatic aberration of the condenser lens can be improved.
また、本発明において、前記太陽電池セルの受光面は、前記集光レンズの焦点を中心とする略球面上に位置することが望ましい。 In the present invention, it is desirable that the light receiving surface of the solar battery cell is located on a substantially spherical surface centered on the focal point of the condenser lens.
この構造によれば、集光レンズにより屈折された光の太陽電池セル受光面への入射角を小さくすることができるため、受光面表面における反射損失を更に低減することができる。 According to this structure, since the incident angle of the light refracted by the condenser lens to the light receiving surface of the solar battery cell can be reduced, the reflection loss on the surface of the light receiving surface can be further reduced.
また、本発明において、請求項7または9に記載の前記焦線と前記焦点は、前記太陽電池セルの感度波長の略中間波長に対するものであることが望ましい。
In the present invention, it is desirable that the focal line and the focal point described in
この構造によれば、太陽電池セルの感度波長の略中間波長光の受光面への入射が、垂直入射となり、他の感度波長光はその角度を中心に広がった分布となることから、太陽電池セルの感度波長光全域における入射角を全体的に小さく抑えることができる。 According to this structure, the light incident on the light-receiving surface of light having a substantially intermediate wavelength of the sensitivity wavelength of the solar battery cell becomes vertical incidence, and the other sensitivity wavelength light has a distribution spreading around the angle. The incident angle in the entire sensitivity wavelength light of the cell can be suppressed as a whole.
また、本発明において、前記集光レンズは、フレネルレンズである構成とすることが望ましい。 In the present invention, it is desirable that the condensing lens is a Fresnel lens.
この構成によれば、集光レンズとしてフレネルレンズを用い太陽電池セルを湾曲させることにより、太陽電池セル出力を維持すると共に、集光型太陽光発電モジュールの更なる薄型化が可能となる。 According to this configuration, by curving the solar cell using a Fresnel lens as a condensing lens, it is possible to maintain the solar cell output and further reduce the thickness of the concentrating solar power generation module.
本発明によれば、太陽電池セルの受光面を前記集光レンズに向かって凸形状あるいは凹形状とすることにより、集光レンズの焦点距離を短く設計した場合においても、太陽電池セルの受光面に入射する光の入射角を平板型の太陽電池を設置した場合と比較して小さくすることができ、表面反射損失を低減することができる。また、平板型の太陽電池セルと比較して、太陽電池セル中央部分ほど集光レンズの焦点からの距離が長くなり、太陽電池セル中央部分の光強度密度を低くすることができるため、集光レンズの色収差による光強度分布の均一性を改善することができる。上記の構造により軽量・薄型かつ高変換効率な集光型太陽光発電モジュールの実現が可能となる。 According to the present invention, even when the focal length of the condensing lens is designed to be short by making the light receiving surface of the solar cell convex or concave toward the condensing lens, the light receiving surface of the solar cell. As compared with the case where a flat plate type solar cell is installed, the incident angle of light incident on can be reduced, and the surface reflection loss can be reduced. In addition, the distance from the focal point of the condensing lens becomes longer at the central portion of the solar battery cell and the light intensity density at the central portion of the solar battery cell can be reduced compared to the flat solar cell. The uniformity of the light intensity distribution due to the chromatic aberration of the lens can be improved. With the above structure, it is possible to realize a concentrating solar power generation module that is lightweight, thin, and has high conversion efficiency.
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態1について図に基づいて説明する。図1は実施形態1に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図であり、その側面を透視的に示したものである。図2は、一対の集光レンズ12と太陽電池セル14の部分を拡大して示した図である。集光レンズ12は一方向にのみ集光される線集光型レンズであり、集光レンズ12により集光される太陽電池セル14の感度波長光全てが、太陽電池セル14の表面側(集光レンズ側)において焦線X22を結ぶように設計されている。太陽電池セル14の受光面は、集光レンズ12に向かって凹形状に湾曲している。図2には、太陽電池セル14が複数個並置されたものを示したが、単数でもよく、また、個々の太陽電池形状、配置パターンはこれに限るものではない。
(Embodiment 1)
集光された光は焦線X22を結んだ後、太陽電池セル14に照射される。太陽電池セル14の受光面は、焦線X22に垂直な面で切断した断面形状が湾曲した形状となるように配置されている。
The condensed light is irradiated to the
さらに、焦線X22を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面は、焦線X22と平行であることが望ましい。本構造により、太陽電池セル14の受光面に照射される光の焦線方向の光強度分布の均一化を図ることができる。
Furthermore, it is desirable that a cross section of the light receiving surface of the solar battery cell cut along a plane including the focal line X22 is parallel to the focal line X22. With this structure, the light intensity distribution in the focal line direction of the light applied to the light receiving surface of the
集光レンズ12としては、球面レンズを用いることも可能であるが、モジュール薄型化の点からフレネルレンズを用いることが望ましい。太陽電池セル14としては、GaAs、InGaP、InP等のIII−V族系化合物太陽電池、CuInSe2、CuInGaSe2等のカルコパイライト系化合物太陽電池、CdTe、CdS等のII−VI族系化合物太陽電池、アモルファスSi系、Si系結晶薄膜等のSi系薄膜太陽電池、Si系結晶太陽電池や色素増感太陽電池セル等の有機太陽電池セルが使用できる。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、感度波長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。本実施形態においては太陽電池セル14の受光面を湾曲した形状とするため、太陽電池セル14はフレキシブル性あるいは曲面形状を有する必要がある。上述した太陽電池は、フレキシブル性を有するものが作成可能であるか、または、支持基板の形状を前記凹部と同一形状とし、その基板上に太陽電池を作製することができる。例えば、図2に示すように凹状に湾曲した表面形状を有する金属板26にフレキシブル太陽電池セル14の裏面電極を半田付けにより接合する方法が考えられる。また、湾曲した基板上にp−CVD、MO−CVD、スパッタ、蒸着等の製膜方法により薄膜太陽電池セルを形成する方法や、塗布法により有機太陽電池セルを形成することにより実現可能である。
As the
本実施形態における発明の効果を従来の平板型太陽電池の場合と比較して説明する。図3は、本実施形態の光学系の概略断面図である。線集光型の集光レンズ12により集光された短波長光L1、長波長光L2はそれぞれ焦線X31と焦線X32を結んだ後、太陽電池セル14に照射される。太陽電池セル14の感度波長光全てが、集光レンズ12と太陽電池セル14の間において焦線を結ぶ構造とする。太陽電池セル14の受光面形状は、集光レンズ12に向かって凹形状に湾曲した形状である。図3のA31−A32部分に平板型太陽電池セルを設置した場合、平板型太陽電池セルの外側ほど焦線X31、X32からの距離が遠く光強度密度が小さくなるとともに集光レンズ12の色収差のため長波長光L2ほど内側に集まるため、A31−A32断面における光強度密度は図4に示すように光軸40付近ほど高くなる。このため、太陽電池セル出力は面内分布が大きくなり、出力の小さな部分の影響を受けて太陽電池セル全体の発電効率は低下する。これに対し、図3のように、太陽電池セル14の受光面を集光レンズ12の方向に向かって凹形状とした場合、太陽電池セル14の中央部分ほど焦点から遠ざかるため、図4に示すように光強度密度分布を改善することができる。
The effect of the invention in this embodiment will be described in comparison with the case of a conventional flat plate solar cell. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the optical system of the present embodiment. The short-wavelength light L1 and the long-wavelength light L2 collected by the line condensing
また、太陽電池セル14を前記凹形状とした場合、集光レンズ12において屈折された光L1,L2の太陽電池セル14への入射角が小さくなる。太陽電池セル14の表面には通常、反射防止膜が形成されており、反射防止膜内の多重反射のため波長によって反射率は変化するが、入射角の増加に伴って反射率は高くなる傾向を有するため、受光面表面における反射損失を低減することができる。
Further, when the
また、太陽電池セル14の表面には不透明で厚みのある表面電極が存在する。集光型太陽電池は出力電流が大きいため、表面電極の抵抗を低減する必要があり、その厚みを増加することが一般的に行われている。この場合、入射角の増大により表面電極の影により入射光損失が大きくなるといった問題が生じる。平板型太陽電池を用いる場合、入射角増大に伴う表面電極の影による損失が大きいが、本実施形態の構造によるとその損失が低減されるため、太陽電池セル出力を向上することが可能である。
In addition, an opaque and thick surface electrode exists on the surface of the
太陽電池モジュール薄型化のため焦点距離を短く設計した場合には、特に入射角増大の問題が大きいが、本実施形態の構造によると、入射角低減の効果が大きく、太陽電池モジュールの出力を維持したままモジュールの薄型化が可能となる。 When the focal length is designed to be short in order to reduce the thickness of the solar cell module, the problem of increasing the incident angle is particularly large. However, according to the structure of this embodiment, the effect of reducing the incident angle is great and the output of the solar cell module is maintained. The module can be thinned as it is.
また、本実施形態の場合、集光レンズ12の色収差のため、短波長光L1ほど照射される領域が広がり中央付近の光強度が弱くなり、長波長光L2ほど照射される領域が狭く中央付近の光強度が強くなる。すなわち、波長毎に光強度の面内分布が異なる。単接合型太陽電池セルを用いる場合は、波長毎の光強度の面内分布の太陽電池セル出力に対する影響は少ない。これに対し、多接合型太陽電池セルあるいはメカニカルスタックセルを用いる場合は、太陽電池セル全体としての出力電流は、各光電変換層のうち出力電流が最も少ない層に律速される。
In the case of the present embodiment, due to the chromatic aberration of the
図5には本実施形態についてのA31−A32断面における太陽電池セル14上での長波長光、短波長光の光強度分布の概略図を示す。長波長光は中央部分の光強度が強く、短波長光と比較して分布が大きくなる。太陽電池セル14を湾曲させることにより、太陽電池セル14の受光面に入射する光強度分布を改善することが可能であるが、波長毎の分布傾向は変わらない。このように長波長光に比べて短波長光の光強度分布が均一な本実施形態の場合に多接合型太陽電池セルあるいはメカニカルスタックセルを用いるときは、出力電流が短波長光により制限されている、すなわちトップセルにより出力電流が制限されているものを使用することが望ましい。トップセルにより出力電流が制限されている太陽電池を用いることにより、太陽電池セル出力の面内分布を低減し、太陽電池セル全体としての出力を改善することができる。各光電変換層の出力電流は、光電変換層の材質及び組成の選択と、光電変換層の膜厚により調整することができる。本実施形態の構造において、トップセルにより出力電流が制限されている構造とすることが望ましい。
FIG. 5 shows a schematic diagram of the light intensity distribution of long wavelength light and short wavelength light on the
また、太陽電池セル14の受光面形状は、前記集光レンズ12の焦線を中心とする略円筒面形状であることが望ましい。その焦線は太陽電池セル14の感度波長域の略真ん中の波長である中間波長光(波長λM)に対する焦線であることが更に望ましい。図6には、集光レンズ12が線集光型であり、波長λMの光LMに対する焦線X61を中心とする略円筒面上に太陽電池セル14の受光面が位置する場合の光学系に関する断面図を示した。集光レンズ12により屈折された光のうち、波長λMの光LMは太陽電池セル14の受光面に略垂直に入射する。また、太陽電池セル感度波長域の短波長光LSと太陽電池セル感度波長域の長波長光LLは、集光レンズ1の色収差によりLMより両側に広がった方向より太陽電池セル14に入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル14の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、太陽電池セルの出力を更に向上することができる。
(実施形態2)
図7は実施形態2に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図であり、その側面を透視的に示したものである。図8は、一対の集光レンズ12と太陽電池セル14の部分を拡大して示した図である。実施形態2は、実施形態1において集光レンズ12を点集光型とし、それに対応して太陽電池セル14の受光面が直交する2方向に凹形状に湾曲した形状とする。集光レンズにより集光された太陽光は焦点81を結んだ後、太陽電池セル14に照射される。図8には単一の太陽電池セル14を設置した場合を示したが、太陽電池セル14の受光面を、直交する2方向に湾曲した形状とするためには、実施形態1に記載した複数の太陽電池セルを並置する方法や、湾曲した形状の基板上に製膜、塗布等の方法により太陽電池セルを形成する方法により実現することができる。
Further, the light receiving surface shape of the
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a schematic perspective view of the concentrating solar power generation module according to
本実施形態における発明の効果は、実施形態1と同様に説明することができる。本実施形態は、実施形態1の場合には1方向に集光されていたものが、直交する2方向に集光されるもので、光学系の断面図は図3と同様になる。すなわち、太陽電池セル14の受光面を集光レンズ12に向かって凹形状とすることにより、実施形態1の場合と同様に、光強度分布の改善、入射角低減による表面反射損失、表面電極の陰による損失の低減が可能となる。
The effects of the invention in this embodiment can be described in the same manner as in the first embodiment. In the present embodiment, in the case of the first embodiment, the light collected in one direction is collected in two orthogonal directions, and the cross-sectional view of the optical system is the same as FIG. That is, by making the light receiving surface of the
また、実施形態1の場合と同様に、多接合型太陽電池セルあるいはメカニカルスタックセルを用いる場合は、出力電流がトップセルにより制限されているものを使用することが望ましい。 Similarly to the case of the first embodiment, when a multi-junction solar cell or a mechanical stack cell is used, it is desirable to use a cell whose output current is limited by the top cell.
また、太陽電池セル14の受光面は、前記集光レンズ12の焦点81を中心とする略球面上に位置することが望ましい。その焦点は太陽電池セル14の感度波長域の略中間波長光(波長λM)に対する焦点であることが更に望ましい。実施形態1の図6と同様に、集光レンズ12により屈折された光のうち、波長λMの光LMは太陽電池セル14の受光面に略垂直に入射する。短波長光LSと長波長光LLは、集光レンズ12の色収差によりLMの入射方向より両側に広がった方向より入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル14の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、太陽電池セルの出力を更に向上することができる。
(実施形態3)
以下、本発明の実施形態3について図に基づき説明する。実施形態3に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図は図1と同様である。図9は、一対の集光レンズ12と太陽電池セル14の部分を拡大して示した図である。集光レンズ12は一方向のみ集光される線集光型レンズであり、集光レンズ12により集光された光は太陽電池セル14の裏面側(集光レンズと反対側)において焦線X91を結ぶように設計されている。太陽電池セル14は、集光レンズ12に対して凸形状に湾曲した形状である。図9には、太陽電池セル14を複数個並置したものを示したが、単数でもよく、また、個々の太陽電池形状、配置パターンはこれに限るものではない。
The light receiving surface of the
(Embodiment 3)
図10は、本実施形態の光学系の概略断面図である。線集光型の集光レンズ12により集光された短波長光L1、長波長光L2は焦線X101、X102を結ぶ前に、太陽電池セル14に照射される。太陽電池セル14の感度波長光全てが、太陽電池セル14の裏面側において焦線を結ぶ構造とする。太陽電池セル14の受光面は、焦線X101、X102に垂直な面で切断した断面形状が湾曲した形状となるように配置した。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the optical system of the present embodiment. The short wavelength light L1 and long wavelength light L2 collected by the
さらに、焦線X101、X102を含む面で切断した前記太陽電池セルの受光面の断面は、焦線X101、X102と平行であることが望ましい。本構造により、太陽電池セル14の受光面に照射される光の焦線方向の光強度分布の均一化を図ることができる。
Furthermore, it is desirable that the cross section of the light receiving surface of the solar cell cut along the plane including the focal lines X101 and X102 is parallel to the focal lines X101 and X102. With this structure, the light intensity distribution in the focal line direction of the light applied to the light receiving surface of the
集光レンズ12、太陽電池セル14は、実施形態1と同様のものを用いることができ、湾曲した形状は同様の方法により実現できる。
The condensing
本実施形態における発明の効果を従来の平板型太陽電池の場合と比較して図10を基に説明する。集光レンズ12と焦線X101、X102の間のA101−A102部分に平板型太陽電池セルを設置した場合、太陽電池セルの外側ほど焦線X101、X102からの距離が遠く光強度密度が小さくなるとともに、集光レンズ12の色収差のため短波長光ほど内側に集まるため、A101−A102断面における光強度密度は図4と同様に光軸40付近ほど高くなる。このため、太陽電池セルの出力は面内分布が大きくなり、出力の小さな部分の影響を受けて太陽電池セル全体としての出力は低下する。これに対し、図10のように、太陽電池セル14の受光面を集光レンズ12の方向に対して凸形状とした場合、平板型の太陽電池セルの場合と比較して、太陽電池セル14の中央部分ほど焦線X101、X102から遠ざかるため、光強度密度分布を改善することができる。また、太陽電池セル14を前記凸形状とした場合、集光レンズ12において屈折された光が太陽電池セル14に入射する際の入射角を小さくすることができる。実施形態1の効果と同様に、受光面表面における反射損失と太陽電池表面電極の影による損失を低減することができる。平板型太陽電池の場合は、集光型太陽光発電モジュールの薄型化のため、集光レンズ12と太陽電池セルの距離を近づけると、前記入射角増大の問題により損失が大きくなるといった問題がある。本実施形態の構造によれば、前記入射角増大の問題が低減されるため、太陽電池セル14の出力の低下を抑えつつ、集光型太陽光発電モジュールの薄型化が可能となる。
The effect of the invention in this embodiment will be described based on FIG. 10 in comparison with the case of a conventional flat plate solar cell. When a flat solar cell is installed in the A101-A102 portion between the
また、本実施形態の場合、図10に示すように集光レンズ12の色収差のため、長波長光L2ほど照射される領域が広がり中央付近の光強度が弱くなり、短波長光L1ほど照射される領域が狭く中央付近の光強度が強くなる。図11には、本実施形態についてのA101−A102断面における太陽電池セル14上での長波長光、短波長光の光強度分布の概略図を示す。長波長光の光強度分布が短波長光と比較して均一であるため、多接合型太陽電池あるいはメカニカルスタックセルを用いる場合、出力電流が長波長において制限されている、すなわち、ボトムセルにより出力電流が制限されている太陽電池を使用することが望ましい。ボトムセルにより出力電流が制限されている太陽電池を用いることにより、太陽電池セル出力の面内分布を低減し、太陽電池セル全体としての出力を改善することができる。各光電変換層の出力電流は、光電変換層の材質及び組成の選択と、光電変換層の膜厚により調整することができる。本実施形態の構造において、ボトムセルにより出力電流が制限されている構造とすることが望ましい。
In the case of this embodiment, as shown in FIG. 10, due to the chromatic aberration of the
また、集光レンズ12が線集光型である場合、太陽電池セル14の受光面形状が前記集光レンズ12の焦線を中心とする略円筒面形状であることが望ましい。その焦線は太陽電池セル14の感度波長域の略中間波長光(波長λM)に対する焦線であることが更に望ましい。図12には、集光レンズ12が線集光型であり、波長λMにおける焦線X121を中心とする略円筒面上に太陽電池セル14の受光面が位置する場合の光学系に関する断面図を示した。集光レンズ12により屈折された光のうち、波長λMの光LMは太陽電池セル14の受光面に垂直に入射する。また、短波長光LSと長波長光LLは、集光レンズ12の色収差によりLMの入射方向より両側に広がった方向より入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル14の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、出力を更に向上することができる。
(実施形態4)
以下、本発明の実施形態4について図に基づき説明する。実施形態4に係る集光型太陽光発電モジュールの概略斜視図は図7と同様である。図13は、一対の集光レンズ12と太陽電池セル14の部分を拡大して示した図である。実施形態4は、実施形態3において集光レンズ12を点集光型とし、それに対応して太陽電池セル14の受光面が直交する2方向に凸形状に湾曲した形状とする。集光レンズにより集光された光は焦点を結ぶ前に、太陽電池セル14に照射される。図13には単一の太陽電池セル14を設置した場合を示したが、太陽電池セル14の受光面を、直交する2方向に湾曲した形状とするためには、実施形態1に記載した複数の太陽電池セルを並置する方法や、湾曲した形状の基板上に製膜、塗布等の方法により太陽電池セルを形成する方法により実現することができる。
Moreover, when the condensing
(Embodiment 4)
本実施形態における発明の効果は、実施形態3と同様に説明することができる。本実施形態は、実施形態3の場合には1方向に集光されていたものが、直交する2方向に集光されるもので、光学系の断面図は図10と同様になる。すなわち、太陽電池セル14の受光面を集光レンズ12に対して凸形状とすることにより、実施形態3の場合と同様に、光強度分布の改善、入射角低減による表面反射損失、表面電極の陰による損失の低減が可能となる。
The effects of the invention in this embodiment can be described in the same manner as in the third embodiment. In the present embodiment, in the case of the third embodiment, the light collected in one direction is collected in two orthogonal directions, and the cross-sectional view of the optical system is the same as FIG. That is, by making the light receiving surface of the
また、実施形態3の場合と同様に、多接合型太陽電池あるいはメカニカルスタックセルを使用する場合は、出力電流がボトムセルにより制限されているものを使用することが望ましい。 As in the case of the third embodiment, when a multi-junction solar cell or a mechanical stack cell is used, it is desirable to use one whose output current is limited by the bottom cell.
また、太陽電池セル14の受光面は、前記集光レンズ12の焦点を中心とする略球面上に位置することが望ましい。その焦点は太陽電池セル14の感度波長域の略真ん中の波長である略中間波長光(波長λM)に対する焦点であることが更に望ましい。実施形態3の図12と同様に、集光レンズ12により屈折された光のうち、波長λMの光LMは太陽電池セル14の受光面に略垂直に入射する。短波長光LSと長波長光LLは、集光レンズ12の色収差によりLMの入射方向より両側に広がった方向より入射するが、その入射角は平板型太陽電池セルの場合と比較して小さな入射角となるため、太陽電池セル14の表面反射損失、表面電極の影による損失が低減され、出力を更に向上することができる。
Further, it is desirable that the light receiving surface of the
本実施例には前記実施形態1の場合について具体例を挙げて説明する。基本的な構造は実施形態1の図2に示す一対の集光レンズ12と太陽電池セル14の構造と同様である。太陽電池セル14は、感度波長域が波長320nmから890nmであるInGaP/GaAs構造である2接合型化合物太陽電池を使用し、受光面サイズは7mm×7mmである。集光レンズ12として、外形サイズ210mm×200mmの線集光型のアクリル樹脂製フレネルレンズを用いた。支持板部11aはアルミ製のもの、金属板26は銅板、放熱絶縁層27はエポキシ樹脂に酸化アルミニウムを含有したものを用いた。
In this example, the case of the first embodiment will be described with a specific example. The basic structure is the same as the structure of the pair of
太陽電池セル14の受光面は、半径200mmの略円筒面に沿った形状になるよう湾曲させた。太陽電池セル14はフレネルレンズ12と太陽電池セル14の受光面中央部との距離が150mmとなる位置に、集光レンズ12に向かって凹形状になるよう金属板26の表面に半田付けにより固定した。太陽電池セル14の受光面は、焦線X22に垂直な面で切断した断面形状が湾曲した形状であり、かつ、焦線X22を含む面で切断した断面が、焦線X22と平行となるようにした。
The light receiving surface of the
フレネルレンズの焦線X22は、フレネルレンズ12と太陽電池セル14の間に位置しており、本実施例では太陽電池セル14の感度波長域である波長320nmから890nmの中間波長である605nmにおける焦点距離は145mmである。
The focal line X22 of the Fresnel lens is located between the
太陽電池セル14の受光面サイズはフレネルレンズ12のサイズと所望の集光倍率から決定されるものであり、どのような大きさでも良い。この構成により、太陽電池セル14の全面にフレネルレンズ12により集光した光が全て当たるように設定すると、集光倍率は約28倍程度となる。
The size of the light receiving surface of the
図2に示した構成とするためには、太陽電池セル14はフレキシブル性を有する必要がある。以下にフレキシブル性を有するInGaP/GaAs薄膜太陽電池の製造方法を記述する。半導体層成長には有機金属気相成長(MOCVD)法を用いた。成長温度は700℃とし、n-GaAs基板上に基板と太陽電池層を分離するためのAlAs中間層を形成後、InGaP/GaAs太陽電池を形成した。GaAs層の成長では、原料としてTMG(トリメチルガリウム)とAsH3(アルシン)を用いた。InGaP層の成長ではTMI(トリメチルインジウム)、TMGおよびPH3(ホスフィン)を原料に用いた。AlInP層の成長ではTMA(トリメチルアルミニウム)、TMIおよびPH3を原料に用いた。AlAs層の成長ではTMAとAsH3を原料に用いた。GaAs、InGaPおよびAlInP層の全ての成長において、n型層形成のための不純物にSiH4(モノシラン)を用い、p型層形成のための不純物にDEZn(ジエチルジンク)を用いた。
In order to obtain the configuration shown in FIG. 2, the
エピタキシャル膜の脇をWAXで覆い、フォトリソグラフィー法によって、パターンを形成後、上部InGaP/GaAs太陽電池のGaAs層をアルカリ溶液、InGaP層及びAlInP層を酸溶液でエッチングして、AlAs面を露出させる。上部InGaP太陽電池に裏面電極を形成し、WAXで支持基板を張り合わせて、その後、10%HF溶液でAlAsを端面からエッチングすることにより、上部InGaP/GaAs太陽電池を剥離する。その後、表面電極形成し、反射防止としてAl2O3/TiO2を形成する。この方法により作成した太陽太陽電池は厚み数μm〜数十μmと薄くすることができ、フレキシブル性を有するInGaP/GaAs薄膜太陽電池が製造可能である。 Cover the sides of the epitaxial film with WAX and form a pattern by photolithography, then etch the GaAs layer of the upper InGaP / GaAs solar cell with an alkaline solution, the InGaP layer and the AlInP layer with an acid solution to expose the AlAs surface . A back electrode is formed on the upper InGaP solar cell, a supporting substrate is bonded with WAX, and then AlAs is etched from the end surface with a 10% HF solution to peel off the upper InGaP / GaAs solar cell. Thereafter, a surface electrode is formed, and Al2O3 / TiO2 is formed as an antireflection. A solar solar cell produced by this method can be made as thin as several μm to several tens of μm, and an InGaP / GaAs thin film solar cell having flexibility can be manufactured.
上記構造の太陽電池セルの受光面各点におけるInGaP(トップセル)とGaAs(ボトムセル)の出力電流測定値を平板型形状の太陽電池の場合と比較して示す。図14は本実施例と同条件で、フレネルレンズ12と太陽電池セル14の受光面中央部との距離が150mmの位置に平板型太陽電池を設置した場合の太陽電池セル受光面内の各点におけるInGaP太陽電池とGaAs太陽電池の短絡電流測定値である。また、図15は、本実施例の湾曲した太陽電池受光面の各点におけるInGaP太陽電池とGaAs太陽電池の短絡電流測定値である。本実施例の湾曲した形状の太陽電池の場合、平板型太陽電池の場合と比較して、中央部の短絡電流が小さくなり、周縁部の短絡電流が大きくなっており、各点における両太陽電池セルの短絡電流差が小さくなっている。すなわち、太陽電池セルを湾曲させた場合、出力電流の面内均一性が向上し、かつ、トップセル(InGaP)とボトムセル(GaAs)の出力電流差が縮小するため、InGaP/GaAs太陽電池の出力は改善する。
The measured output current values of InGaP (top cell) and GaAs (bottom cell) at each point on the light-receiving surface of the solar cell having the above structure are shown in comparison with the case of a flat plate type solar cell. FIG. 14 shows each point in the solar cell light receiving surface when a flat plate solar cell is installed at a position where the distance between the
11 ケース
11a 支持板部
12 集光レンズ
13 太陽光
14 太陽電池セル
X22 実施形態1に係る集光レンズの太陽光に対する焦線
L1 短波長光
L2 長波長光
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記集光レンズの焦点は前記集光レンズと前記太陽電池セルの間に位置し、前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凹形状に湾曲していることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。 A concentrating solar power generation module having a condensing lens that condenses sunlight and a solar battery cell irradiated with light condensed by the condensing lens,
The focal point of the condensing lens is located between the condensing lens and the solar battery cell, and the light receiving surface of the solar battery cell is curved in a concave shape toward the condensing lens. Optical photovoltaic module.
前記集光レンズの焦点は前記太陽電池セルの裏面側に位置し、前記太陽電池セルの受光面は前記集光レンズに向かって凸形状に湾曲していることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。 A concentrating solar power generation module having a condensing lens that condenses sunlight and a solar battery cell irradiated with light collected by the condensing lens,
Concentrated sunlight is characterized in that the focal point of the condensing lens is located on the back side of the solar cell, and the light receiving surface of the solar cell is curved in a convex shape toward the condensing lens. Power generation module.
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