JP2008252077A - 集光型太陽電池モジュールに用いる反射鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】レンズ型集光モジュールでの感光波長帯域光の発電セルへの集光効率を向上させること。また、発電に使用しない波長帯域光の発電セルへの到達量を小さく抑え発電セルの温度上昇・劣化防止を図ること。
【解決手段】３接合型太陽電池に付属する集光モジュールの太陽光入射面に300nm-1700nm帯域の透過率を増加させる反射防止膜を、反射面に300nm-1700nm帯域を選択的に反射させる反射膜を形成する事により、発電に利用可能な波長帯域の光を少ない損失発電セルへ導く。さらに1700nmよりも長波長側の発電に利用できない波長帯域光を反射面で透過させてセルへの到達量を減少させる。
【選択図】図１
【解決手段】３接合型太陽電池に付属する集光モジュールの太陽光入射面に300nm-1700nm帯域の透過率を増加させる反射防止膜を、反射面に300nm-1700nm帯域を選択的に反射させる反射膜を形成する事により、発電に利用可能な波長帯域の光を少ない損失発電セルへ導く。さらに1700nmよりも長波長側の発電に利用できない波長帯域光を反射面で透過させてセルへの到達量を減少させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、集光型太陽電池モジュール及びこれに用いる反射鏡に関する。特に、３接合型太陽電池に付属するレンズ型集光モジュールの反射鏡に形成される誘電体多層膜の構造に関する。
太陽電池は、発光することなく太陽光を電気エネルギーに変換できるという、一見理想的なエネルギー源である。しかしながら、実際の太陽電池での発電コストは通常の発電コストと比べて割高である。このため、現実的には、配線や電池交換が不要である事が大きな利便性を生み出すような、人工衛星や腕時計、電卓等への搭載が主な利用範囲となっている。
人工衛星などの宇宙機器の電源に使用される宇宙用太陽電池セルとして、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を主材料に用いた多接合型の太陽電池セルを使用する例が増加しつつある。この中でも、地上用または宇宙用に限られず、現在最も高い変換効率を有する太陽電池は、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池である。
このＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池は、それぞれＩｎＧａＰのトップセルが660nm以下、ＩｎＧａＡｓのミドルセルが660nm−890nm、Ｇｅのボトムセルが890nm〜の波長領域の光をエネルギー変換する。このため、従来のシリコン系太陽電池と比較して幅広い波長域をエネルギー変換する事が可能であり、シリコン系太陽電池よりも高い変換効率を持つことが特徴である。
更に、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池において、トップセルにＡｌを加えて（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を増加させることによって吸収端波長を短くすることができる。また、下部のＩｎＧａＡｓセルに透過する光量を調整して電流整合を行なうことによって、十分な短絡電流を達成するとともに、（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのバンドギャップ増加による電圧の向上も同時に達成することができる。このような手法によって、多接合太陽電池の効率を向上させることが可能となる。（特許文献１）
特開２００４−２９６６５８
しかしながら、１Ｗ（ワット）あたりの発電コストに関しては、発電効率が高くなっても依然としてシリコン系太陽電池よりも高価である。
そこで、レンズや鏡等による集光によって、高価な太陽電池セルの使用量を減らす事で、モジュール全体のコスト低減が試みられている。この技術は、「集光発電システム」と称され、光電流/暗電流比の増加により太陽電池の開放電圧が向上し、変換効率が向上するといった利点を有する。
こうした集光システムには、レンズや鏡によって入射光を特定の位置に集光させる必要がある。そこで、太陽光を追尾する装置が設けられている。これにより、直達光（平行光線）しか集光できないといった短所はあるものの、変換効率向上や太陽光追尾による発電量増加により発電コスト（円/kWh）の低減が可能になる。
このような集光システムによる発電コスト低減構想により、今まで地上での発電システムに利用されることがなかったＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池を使った地上用発電システムが有望視されている。
その中でも、効率的な発電を行う為に屈折型非結像光学レンズと太陽電池を一体化したモジュールを用いる手法は、従来の反射型複合放物面集光器よりかなり安価に製作できるようになってきている。（特許文献２）
特開平６−３７３４４
特許文献２に示すような集光モジュールを用いると、レンズ成型の精度が良好ならば、発電セルの位置決め、角度設定が容易になり、製造工程の簡便化を図ることができる。
しかしながら、太陽電池の出力には温度依存性があり、セルの温度上昇に伴って出力が低下する性質をもっている為、集光型太陽電池システムは効率的な太陽光発電を実現できる反面、集光による発電セルの温度上昇に伴う出力低下を引き起こす事が問題になっている。
ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池に対し、ソーラーシミュレーターからの擬似太陽光をフレネルレンズで約250倍まで集光しての発電効率評価の結果、100倍を超える集光比では光照射によってセル温度が上昇し、開放電圧が低下することが確認されている。
ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池における開放電圧の温度依存性を示す温度係数は、室温から80℃までの温度域において-0.0064Ｖ/℃となっている。
これらの事から、効率的な発電を行う為には発電セルの温度を低く保つことが重要であり、現在利用されている太陽電池デバイスにも温度上昇を抑えるような工夫がされているものが多い。
温度上昇の問題以外にも、レンズによる集光モジュールを使用した場合には入射面において入射光の一部が反射されてしまうという、発電に不利な要素が発生する。レンズがガラス製であった場合には約４％の光が入射面で反射されてしまい、発電に利用することができなくなる。
こういった光損失の低減を抑制する手段として、眼鏡や望遠鏡等のレンズ表面での反射による光損失を低減させる為に、光学レンズの表面に１〜数十層の膜を形成し、光の干渉を利用して目的の波長帯域の反射を低減させる事で光損失を減らす手法が広く用いられている。
また、多層膜による光の干渉を利用して目的とする波長帯域を選択的に反射させる技術がある。代表的な例としては、可視光のみを反射させて赤外線を透過させる「コールドミラー」は液晶プロジェクター内部の温度上昇を防ぐために用いられている。
本発明は、レンズ型集光モジュールでの感光波長帯域光の発電セルへの集光効率を上げつつ、発電に使用しない波長帯域光の発電セルへの到達量を小さく抑え、発電セルの温度上昇に伴う発電効率の低下・及び発電セルの劣化を防止する事を目的とする。
レンズ型集光モジュールの入射面に反射防止膜を形成する事で、集光モジュールに取り込む太陽光の増加を図る。この反射防止膜は真空蒸着による誘電体多層膜により形成され、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池の感光波長帯域である300nm−1700nmの波長帯域光の入射面での反射率を低下させる特性を持つことを特徴とする。
レンズ型集光モジュールの反射面に300nm-1700nmの波長帯域を選択的に反射する反射膜を形成することで、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池の感光帯域光を選択的に発電セルに導く。これによって発電には利用されない1700nmよりも長波長側の波長域は透過され、発電セルの温度上昇と劣化を抑制する。
反射面に成膜された誘電体多層膜は光の入射角度によって反射スペクトルがシフトする為、集光モジュールの形状に合わせた反射膜を設計する必要がある。
以上、本発明により、レンズ型集光モジュールを用いた３接合型太陽電池において、集光効率を高めると共に集光による発電セルの温度上昇を抑える事で発電効率の低下を防ぎ、効率的に機能させる事が可能となる。また、誘電体多層膜を用いる事から、経時変化に強く、屋外で雨風に晒されても膜の劣化が進行しにくい為、モジュール全体の寿命が延びることが期待できる。
図１は、本発明が適用可能なＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池に付属するレンズ型集光モジュールの反射鏡を示す。この反射鏡においては、光入射面３と反射面５を持ったレンズ型集光モジュールの入射面３に反射防止膜４を成膜する事で、入射面における反射光８を減少させ、発電に有効な波長帯域の光をモジュール内により多く取り込む事ができる。反射防止膜４は、真空蒸着によって成膜された二酸化チタン・五酸化タンタル・五酸化ニオブ・二酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム・二酸化ケイ素・フッ化マグネシウムの薄膜から成る誘電体多層膜である。この誘電体多層膜４は、300nm-1700nmの波長帯域の反射率を効果的に抑制する。
また、反射面５には反射膜６を成膜する事で発電に有効な波長域光９のみを発電セル２に導くことができる。発電に使用しない波長帯域の光１０は、発電セルの温度を上昇させる為に発電効率の低下を招くが、反射膜６はこのような発電に使用しない波長帯域の光１０を透過させる為に、発電セル２への到達量を大きく減少させる事ができる。その結果、効率の良い発電が可能となる。反射膜６は、真空蒸着によって成膜された、二酸化チタン・五酸化タンタル・五酸化ニオブ・二酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム・二酸化ケイ素・フッ化マグネシウムの薄膜から成る誘電体多層膜である。この誘電体多層膜６は、300nm-1700nmの波長帯域の光を反射するとともに、1700nmよりも長波長側の波長域を透過させる。
この集光モジュールで太陽光を発電セルに集光させるには太陽光を垂直に入射させる事が必須となる為、太陽光の自動追尾システムと併用することが好ましい。なお、図１の構成において、「反射鏡」と呼ばれるのは、発電セル２を除いた部分の構造と解釈することができる。
次に、図１に示す反射膜６と反射防止膜４に適用可能な実施例について説明する。
［第１実施例］
図２は、波長帯域が400nm〜1000nmの光の反射を少なく抑える事を目的とした本発明の第１実施例に係る反射防止膜（４）を示す。本実施例に係る反射防止膜は、ガラス基板２１の上にTiO2膜２２とMgF2膜２３を交互に積層した構造になっており、各層に記された数値はその層の物理膜厚を示している。
［第１実施例］
図２は、波長帯域が400nm〜1000nmの光の反射を少なく抑える事を目的とした本発明の第１実施例に係る反射防止膜（４）を示す。本実施例に係る反射防止膜は、ガラス基板２１の上にTiO2膜２２とMgF2膜２３を交互に積層した構造になっており、各層に記された数値はその層の物理膜厚を示している。
図３は、図２の反射防止膜に対して光を垂直に入射させた際の波長と反射率の関係をシミュレーションで導き出した結果であり、反射防止膜無しならば４％程度の反射が起こるのに対して400nm−1000nmの波長域の反射率を1％以下にすることができている。
［第２実施例］
図４は、波長帯域が300nm〜1600nmの光の反射を少なく抑える事を目的とした本発明の第２実施例に係る反射防止膜（４）を示す。本実施例に係る反射防止膜は、ガラス基板３１の上に最初の４層はAl2O3膜３２とSiO2膜３３を、5層目から１４層目まではAl2O3膜３２とMgF2膜３４を交互に積層した構造になっている。
図４は、波長帯域が300nm〜1600nmの光の反射を少なく抑える事を目的とした本発明の第２実施例に係る反射防止膜（４）を示す。本実施例に係る反射防止膜は、ガラス基板３１の上に最初の４層はAl2O3膜３２とSiO2膜３３を、5層目から１４層目まではAl2O3膜３２とMgF2膜３４を交互に積層した構造になっている。
図５は、図４の反射防止膜に対して光を垂直に入射させた際の波長と反射率の関係をシミュレーションで導き出した結果であり、300nm−1600nmの波長域の反射率を１〜３％程度低減させる事ができる。
これらのような反射防止膜４を、レンズ型集光モジュールの入射面３に施せば、目的とする波長帯域の光の損失を低減させることができる。なお、上述した第１及び第２実施例において、ガラス基板２１の上に積層される膜の構成を調整することによって、波長帯域が300nm〜1700nmの光の反射を少なく抑えることができる。
［第３実施例］
図６は、400nm〜1000nmの波長帯域の光を選択的に反射させる事を目的とした本発明の第３実施例に係る反射膜（６）を示す。本実施例に係る反射膜は、ガラス基板４１の上にTiO2膜４２とSiO2膜４３を交互に積層した構造になっている。
図６は、400nm〜1000nmの波長帯域の光を選択的に反射させる事を目的とした本発明の第３実施例に係る反射膜（６）を示す。本実施例に係る反射膜は、ガラス基板４１の上にTiO2膜４２とSiO2膜４３を交互に積層した構造になっている。
この反射膜の第１積層部４４は、厚さ98.18nmのTiO2膜４２と厚さ154.31nmのSiO2膜４３が交互に14層積層されている。２積層部４５〜第５積層部４８も同様にTiO2膜とSiO2膜の交互層からなり、１つの積層部の中のTiO2膜・SiO2膜の膜厚は均一になっている。
各積層部を構成している膜の層数は、第１積層部４４が14層、第２積層部４５が10層、第３積層部４６が1２層、第４積層部４７が1２層、第５積層部４８が14層の計62層である。
図７は、図６の反射防止膜に対して光を垂直に入射させた際の波長と反射率の関係をシミュレーションで導き出した結果であり、400nm−1000nmの波長域の反射率が95％以上であり、1100nm〜5000nmの波長域の反射率は小さくなっている。
［第４実施例］
図８は、300nm〜1600nmの波長帯域の光を選択的に反射させる事を目的とした本発明の第４実施例に係る反射膜（６）を示す。本実施例に係る反射膜は、ガラス基板５１の上にTiO2膜５２とSiO2膜５３を交互に積層した構造になっている。
図８は、300nm〜1600nmの波長帯域の光を選択的に反射させる事を目的とした本発明の第４実施例に係る反射膜（６）を示す。本実施例に係る反射膜は、ガラス基板５１の上にTiO2膜５２とSiO2膜５３を交互に積層した構造になっている。
この反射膜も図６の反射膜同様、１つの積層部の中のTiO2膜５２、SiO2膜５３の膜厚は均一になっている。
各積層部を構成している膜の層数は、第１積層部５４が16層、第２積層部５５が12層、第３積層部５６が10層、第４積層部５７が10層、第５積層部５８が10層、第６積層部５９が1２層、第７積層部６０が14層、第８積層部６１が14層、第９積層部６２が20層の計118層である。
図９は、図８の反射防止膜に対して光を垂直に入射させた際の波長と反射率の関係をシミュレーションで導き出した結果であり、300nm−1600nmの波長域の反射率が95％以上であり、1700nm〜5000nmの波長域の反射率は小さくなっている。
これらのような、特定波長域のみを選択的に反射する反射膜をレンズ型集光モジュールの反射面５に用いる事で、発電に有効な波長域のみを発電セルまで導きつつ、発電効率の悪い長波長域の光は透過させてセルまで到達させない事で、セルの温度上昇を抑制して効率の良い発電をすることが可能となる。
上記のように、誘電体多層膜で構成される反射防止膜４や反射膜６は、膜材料・膜構成を変えることで様々な分光特性を持たせる事が可能である。これによって太陽電池の使用状況や発電セルの特性に合わせて反射防止膜・反射膜の膜設計を変える事が可能であり、使用条件に対して最適な反射防止膜・反射膜を提供する事が可能である。
本発明は３接合型太陽電池集光モジュールに使用する事で、発電の効率化、発電セルの劣化防止を図ることができる。
１ 集光レンズ
２ 発電セル
３ 太陽光入射面
４ 反射防止膜
５ 反射面
６ 反射膜
７ 太陽光
８ 入射面における反射光
９ 発電に有効な波長域の光
１０ 発電に不利になる長波長域の光
２１ ガラス基板
２２ 二酸化チタン（TiO2）膜
２３ フッ化マグネシウム（MgF2）膜
３１ ガラス基板
３２ 酸化アルミニウム（Al2O3）膜
３３ 二酸化珪素（SiO2）膜
３４ フッ化マグネシウム（MgF2）膜
４１ ガラス基板
４２ 二酸化チタン（TiO2）膜
４３ 二酸化珪素（SiO2）膜
５１ ガラス基板
５２ 二酸化チタン（TiO2）膜
５３ 二酸化珪素（SiO2）膜
２ 発電セル
３ 太陽光入射面
４ 反射防止膜
５ 反射面
６ 反射膜
７ 太陽光
８ 入射面における反射光
９ 発電に有効な波長域の光
１０ 発電に不利になる長波長域の光
２１ ガラス基板
２２ 二酸化チタン（TiO2）膜
２３ フッ化マグネシウム（MgF2）膜
３１ ガラス基板
３２ 酸化アルミニウム（Al2O3）膜
３３ 二酸化珪素（SiO2）膜
３４ フッ化マグネシウム（MgF2）膜
４１ ガラス基板
４２ 二酸化チタン（TiO2）膜
４３ 二酸化珪素（SiO2）膜
５１ ガラス基板
５２ 二酸化チタン（TiO2）膜
５３ 二酸化珪素（SiO2）膜
Claims (6)
- ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池に付属するレンズ型集光モジュールの反射鏡において、
光が入射する入射面と；
前記入射した光を反射して光を発電セルに導く反射面とを有し、
前記入射面には反射防止膜が形成され、
前記反射防止膜は、二酸化チタン・五酸化タンタル・五酸化ニオブ・二酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム・二酸化ケイ素・フッ化マグネシウムの薄膜から成る誘電体多層膜であることを特徴とする反射鏡。 - 前記反射防止膜は、300nm-1700nmの波長帯域の反射率を低下させることを特徴とする請求項１に記載の反射鏡。
- ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池に付属するレンズ型集光モジュールの反射鏡において、
光が入射する入射面と；
前記入射した光を反射して光を発電セルに導く反射面とを有し、
前記反射面には反射膜が形成され、
前記反射膜は、二酸化チタン・五酸化タンタル・五酸化ニオブ・二酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム・二酸化ケイ素・フッ化マグネシウムの薄膜から成る誘電体多層膜であることを特徴とする反射鏡。 - 前記反射膜は、300nm-1700nmの波長帯域の光を反射するとともに、1700nmよりも長波長側の波長域を透過させることを特徴とする請求項３に記載の反射鏡。
- ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池に付属するレンズ型集光モジュールの反射鏡において、
光が入射する入射面と；
前記入射した光を反射して光を発電セルに導く反射面とを有し、
前記入射面には反射防止膜が形成され、
前記反射面には反射膜が形成され、
前記反射防止膜は、二酸化チタン・五酸化タンタル・五酸化ニオブ・二酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム・二酸化ケイ素・フッ化マグネシウムの薄膜から成る誘電体多層膜であり、
前記反射膜は、二酸化チタン・五酸化タンタル・五酸化ニオブ・二酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム・二酸化ケイ素・フッ化マグネシウムの薄膜から成る誘電体多層膜であることを特徴とする反射鏡。 - 前記反射防止膜は、300nm-1700nmの波長帯域の反射率を低下させ、
前記反射膜は、300nm-1700nmの波長帯域の光を反射するとともに、1700nmよりも長波長側の波長域を透過させることを特徴とする請求項５に記載の反射鏡。
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