JP2009162508A

JP2009162508A - 日射計

Info

Publication number: JP2009162508A
Application number: JP2007339433A
Authority: JP
Inventors: Juichi Hasegawa; 壽一長谷川; Teruo Suzuki; 皓夫鈴木
Original assignee: Eko Instruments Trading Co Ltd
Current assignee: Eko Instruments Trading Co Ltd
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】広い波長範囲において良好な計測が可能であり、かつ角度特性も良好な日射計を提供すること。
【解決手段】本発明に係る一態様の日射計は、入射光の強度を検出するセンサ(12)と、前記センサに重畳して配置された光拡散板(10)と、前記光拡散板と前記センサとの相互間に配置された光学フィルタ(11)と、を含み、前記センサは、相互に分光感度特性の異なる複数のセルが膜厚方向に積層された多接合型半導体センサである。
【選択図】図１

Description

本発明は、日射光の強度を計測する技術に関する。

従来広く用いられている気象観測用の熱式日射計は、熱式受光センサーを用いており、光を熱に変換してからその熱を熱電対で検出することによって日射量を計測する方式であるため、応答速度が遅いという技術的課題があった。太陽光発電技術の進展に伴い、日射量をより正確に、かつより速い応答速度で計測したいというニーズが高まっている。前述の熱式日射計では応答速度や検出精度の点で不足があり、太陽電池の変換効率や出力特性を正確に求めたいというニーズに十分に答えることが出来ていなかった。このような技術的課題に対する解決策の一つとして、センサー部にシリコンセルを組み込んだ日射計が開発されるに至り、応答速度の点で改善が図られた。

しかしながら、上述したシリコンセンサーを用いた日射計は、良好な感度を有する波長範囲が狭いことから、シリコンセルを用いた太陽電池に代わる新しい構造の太陽電池に関する計測には不向きであるという技術的課題が依然として残された。このため、より広い波長範囲の分光感度特性を有し、高感度かつ高速応答性を備えた日射計の開発が望まれていた。このような要望に対する一つの解決策として、特開２００３−２５４８２３号公報（特許文献１）には、「量子型センサーを利用した日射計であって、第一の量子型センサーと、光学フィルターを備えた第二の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーからの第一の電圧出力及び前記第二の量子型センサーからの第二の電圧出力を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計」が開示されている。しかし、この特許文献１に開示された日射計は、２種類の独立したセンサーが同じ筐体へ組み込まれる関係上、各センサーに対して同じ角度特性（斜入射角特性）を持たせることが原理的に難しいという点で更に改良の余地がある。

特開２００３−２５４８２３号公報

そこで、本発明は、角度特性が良好であり、広い波長範囲で良好な計測を可能とする日射計を提供することを１つの目的とする。

本発明に係る一態様の日射計は、（ａ）入射光の強度を検出するセンサと、（ｂ）前記センサに重畳して配置された光拡散板と、（ｃ）前記光拡散板と前記センサとの相互間に配置された光学フィルタと、を含み、前記センサは、相互に分光感度特性の異なる複数のセルが膜厚方向に積層された多接合型半導体センサであり、前記光学フィルタは、前記センサの分光特性と相反する分光特性を有する。

上記構成によれば、各セルが膜厚方向に積層された多接合型半導体センサを用いることにより、原理的に各セルにおける角度特性を同じとすることができる。それにより、光拡散板による角度特性の改善とも相まって、角度特性の良好な日射計が実現される。また、相互に分光感度特性の異なるセルを含む多接合型半導体センサを用いることにより、広い波長範囲に対応することが可能となる。ここで、一般に多接合型半導体センサはフラットではない分光特性（例えば、短波長側ほど感度が低い特性）を有する傾向にあるが、この分光特性を光学フィルタによって補正することにより、全体としてフラットかそれに近い良好な分光特性を実現することが可能となる。

上述したセンサと光学フィルタとは、互いに相反する分光特性（例えば、長波長側ほど透過率が低い特性）を有することが好ましい。より具体的には、前記センサの分光特性は、例えば、少なくとも可視光の波長（概ね４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）を含む波長範囲において、波長が長くなるほど受光感度が高くなるものであり、これに対応した前記光学フィルタの分光特性は、同じ波長範囲において、波長が長くなるほど透過率が低くなるものである。

前記センサは、少なくとも２つ以上のセルが積層されていればよく、例えば、ボトムセル、ミドルセル及びトップセルを含む三接合型半導体センサであってもよい。この三接合型半導体センサにおいては、例えば、前記ボトムセルがＧｅセル、前記ミドルセルがＩｎＧａＡｓセル、前記トップセルがＩｎＧａＰセルである。

前記光学フィルタは、例えば、少なくとも４００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲において透過率が相対的に高く、当該波長範囲よりも短い波長域及び長い波長域において透過率が相対的に低いものである。

好ましくは、上述の日射計は、内面が光反射特性を有する筒状体を更に備える。この場合において、前記光拡散板、前記光学フィルタ及び前記センサは、前記筒状体の内部に配置される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態に係る日射計の基本的な構成を説明する概略図である。図１に示すように、本実施形態の日射計１は、光拡散板１０、光学フィルタ１１、センサ１２を備える。図示のように、光拡散板１０は、センサ１２に重畳して配置される。また、光学フィルタ１１は、光拡散板１０とセンサ１２との相互間に配置される。

図２は、光拡散板１０の機能を説明するための概略断面図である。光拡散板１０は、例えば、図示のように支持部材１３によって支持される。光拡散板１０は、種々の方向から入射した太陽光（太陽光線）を散光させる。これにより、本実施形態に係る日射計１の角度特性（入射光の角度に対する感度特性）の改良を図ることができる。光拡散板１０を通過した太陽光は光学フィルタ１１に入射する（図１参照）。このような光拡散板１０としては、例えば、細かな石英粒子を固めた高純度の溶融石英ガラス拡散板を用いることができる。石英ガラス板の原材料としては、例えば、東ソー株式会社製の溶融石英ガラス（例えばＯＰ−３グレード）が好適に用いられる。あるいは、石英の気泡を固めたバブルクオーツと称されるものも好適に用いられる。

図３は、センサ１２の一例を説明するための概略断面図である。図３に例示されたセンサ１２は、Ｇｅセルからなるボトムセル、ＩｎＧａＡｓセルからなるミドルセル、ＩｎＧａＰセルからなるトップセルが膜厚方向に積層された三接合型半導体センサである。ボトムセルとミドルセルの間には、バッファ層（ｎ⁺ＩｎＧａＡｓ）及びトンネル接合（ｎ⁺⁺ＩｎＧａＰ、ｐ⁺⁺ＡｌＧａＡｓ）が介在する。ミドルセルとトップセルの間には、トンネル接合（ｎ⁺⁺ＩｎＧａＰ、ｐ⁺⁺ＡｌＧａＡｓ）が介在する。ボトムセルは、ｐＧｅ基板及びその上面のｎ層を含み、下部に裏面電極が設けられている。ミドルセルは、ボトムセル側から順にｐ⁺ＩｎＧａＰ、ｐＩｎＧａＡｓ、ｎ⁺ＩｎＧａＡｓ、ｎ⁺ＡｌＩｎＰの各層が積層されている。トップセルは、ミドルセル側から順にｐＡｌＩｎＰ、ｐＩｎＧａＰ、ｎ⁺ＩｎＧａＰ、ｎ⁺ＡｌＩｎＰの各層が積層されている。トップセルの上面には、反射防止膜と、ｎ⁺ＡｌＩｎＰ層に接合したｎ⁺ＩｎＧａＡｓ層とが設けられ、かつ、このｎ⁺ＩｎＧａＡｓ層の上面には受光面電極が設けられている。

図４は、図３に例示した三接合型半導体センサの受光感度の分光感度特性の一例を示した図である。図４において、横軸が入射光の波長（単位；ｎｍ）に対応し、縦軸が受光感度（単位；任意単位）に対応している。図４に示すように、本実施形態に係る三接合型半導体センサは、全体として概ね３００ｎｍ〜１８００ｎｍという広い波長範囲の分光感度特性を有している。詳細には、ＩｎＧａＰセルからなるトップセルは、概ね３００ｎｍ〜７００ｎｍに渡って高感度となる感度特性を有し、ＩｎＧａＡｓセルからなるミドルセルは、概ね４５０ｎｍ〜９００ｎｍに渡って高感度となる感度特性を有し、Ｇｅセルからなるボトムセルは、概ね９００ｎｍ〜１７００ｎｍに渡って高感度となる感度特性を有する。このような三接合型半導体センサを用いることにより、広い波長範囲における日射計測に対応することが可能となる。また、各セルが膜厚方向に積層された直列接続のセル構造を採用していることから、２種類のセンサを並置するタイプの日射計と比較しても、角度特性の複雑さを克服することが可能となる。更に、２種類のセンサを並置するタイプの日射計では、一方のセンサの出力Ｅ１に感度常数Ａを乗算し、他方のセンサの出力Ｅ２に感度常数Ｂを乗算し、それらを加算することによって日射強度Ｇを得るため、２つの感度常数Ａ，Ｂを管理する煩わしさがあるが、三接合型半導体センサを用いた本実施形態の日射計ではそのような不都合がない。

図５は、図３に例示した三接合型半導体センサの受光感度の分光感度特性の一例を素子全体の特性として表した図である。図５において、横軸が入射光の波長（単位；ｎｍ）に対応し、縦軸が受光感度（単位；任意単位）に対応している。図中に、複数の点（四角形の点）とそれらの相互間を補間する細線で示された曲線が三接合型半導体センサの素子全体としての受光感度特性である。この受光感度特性は、波長３００ｎｍ付近から立ち上がり、波長４００ｎｍから波長１５００ｎｍ付近までの波長範囲においては受光感度が増加し、１５００ｎｍをピークとしてそれ以上の波長範囲では受光感度が低下する、という特徴を有する。このように本実施形態に係る三接合型半導体センサは、それ単体の特性としても広い波長範囲において比較的に受光感度を備える。また、本実施形態に係る日射計１は、より理想的な受光感度特性、具体的には広い波長範囲においてフラットな受光感度特性を得るために上述した光学フィルタ１１を備えている。光学フィルタ１１の特性の一例を図６及び図７に示す。光学フィルタ１１は、図６及び図７に示すように、３００ｎｍ〜６００ｎｍ付近の波長範囲における光透過率が相対的に高く、これよりも長い波長の波長範囲における光透過率が長波長側になるほどより低くなるという特性を備える。このような光学フィルタ１１としては、例えばＳＣＨＯＴＴ社製フィルタ（ＫＧ４）を用いることができる。その場合、フィルタの厚さは適宜選択されるが、例えば、１．０ｍｍ程度とすることが好ましい（図５に示す特性に対応）。そして、このような特性を備える光学フィルタ１１を組み合わせることによって改善された受光感度特性が図５において太い実線により示されている。三接合型半導体センサ単体では低波長側における受光感度が相対的に低い傾向にあるが、光学フィルタ１１を組み合わせることによってその傾向が改善される。すなわち、センサ１２単体での分光特性が光学フィルタ１１によって補正されている。その結果、本実施形態に係る日射計１の受光感度特性を理想的な特性（全波長域においてフラットな特性）により近づけることが可能となる。

図８は、日射計の他の構成例を説明する概略断面図である。図８に示すように、光拡散板１０、光学フィルタ１１、センサ１２の周囲に、内面１４ａが光を反射する特性を有する筒状体１４を配置することも好ましい構成態様の１つである。この構成によれば、光拡散板１０に入射した光の一部は筒状体１４の内面１４ａにおいて反射されて光学フィルタ１１に導かれ、更に光学フィルタ１１を通過した光の一部は筒状体１４の内面１４ａにおいて反射されてセンサ１２に導かれる。それにより、入射した太陽光をより高効率にセンサ１２へ導くことが可能となる。筒状体１４は、例えばアルミニウム、真鍮などの金属材料を用いて形成される。筒状体１４の内面１４ａの光反射率をより高めるために、内面１４ａにメッキ（金メッキ、銀メッキ等）が施されることも好ましい。また、筒状体１４は、銅を用いて形成されてもよい。この場合、筒状体１４の内面１４ａには酸化防止コーティングが施されることが好ましい。このような筒状体１４によれば、広い波長範囲に対応することが可能となる。筒状体１４の形状は、円型、楕円型、角型など適宜選択し得る。図示の例のように、光拡散板１０、光学フィルタ１１、センサ１２の外縁と隙間無く接して配置されることがより好ましい。

図９は、本実施形態に係る日射計を全天型日射計に適用した場合の構成例を示す模式断面図である。図９に示す全天型日射計２は、上述した光拡散板１０、光学フィルタ１１、センサ１２が筐体２１の内部に配置されている。筐体２１の底部にはベース板２２が配置されている。筐体２１の上部には開口が設けられ、この開口を覆うようにして半球状のガラスドーム２０が配置されている。このガラスドーム２０の下側に光拡散板１０が配置されており、ガラスドーム２０を介して入射した太陽光が光拡散板１０に入射する。光拡散板１０と光学フィルタ１１との間の距離Ｌ１と、光学フィルタ１１とセンサ１２との間の距離Ｌ２とは、例えば図示のようにＬ１がＬ２よりも長い関係（Ｌ１＞Ｌ２）に設定される。数値例を挙げると、光拡散板１０と光学フィルタ１１との間の距離Ｌ１は数十ｍｍ（例えば３０ｍｍ〜９０ｍｍ程度）とすることができる。光学フィルタ１１とセンサ１２との間については、迷光の入射を避ける観点からはなるべく近接していることが望ましく、その距離Ｌ２は例えば数ｍｍ（例えば３ｍｍ程度）とすることができる。あるいは、長期的に安定で光透過特性が平坦な透明接着剤を用いるなどの手法により、光学フィルタ１１とセンサ１２とを接着してもよい。

図１０は、本実施形態に係る筒状体１４を備える日射計を全天型日射計に適用した場合の構成例を示す模式断面図である。図９に示した全天型日射計２と共通する構成については同符号を用いており、それらについては詳細な説明を省略する。図１０に示す全天型日射計２ａは、光拡散板１０、光学フィルタ１１、センサ１２の周囲に筒状体１４が配置され、これら全体が筐体２１に内蔵されている。それにより、光収集効率が更に高まる。

図１１は、本実施形態に係る日射計を直達型日射計に適用した場合の構成例を示す模式断面図である。図１１に示す直達型日射計３は、上述した光拡散板１０、光学フィルタ１１、センサ１２が筐体３１の内部に配置されている。筐体３１の内面は黒色等の暗色の無反射塗装がなされている。筐体３１の上部には開口が設けられ、この開口を覆うようにして平板状のカバーガラス３０が配置されている。このカバーガラス３０の下側に光拡散板１０が配置されており、カバーガラス３０を介して入射した太陽光が光拡散板１０に入射する。光拡散板１０と光学フィルタ１１との間の距離Ｌ１と、光学フィルタ１１とセンサ１２との間の距離Ｌ２との関係は上述した通りである。

以上のように本実施形態によれば、各セルが膜厚方向に積層された多接合型半導体センサを用いることにより、原理的に各セルにおける角度特性を同じとすることができる。それにより、光拡散板による角度特性の改善とも相まって、角度特性の良好な日射計が実現される。また、相互に分光感度特性の異なるセルを含む多接合型半導体センサを用いることにより、広い波長範囲に対応することが可能となる。一般に多接合型半導体センサはフラットではない分光特性（例えば、短波長側ほど感度が低い特性）を有する傾向にあるが、この分光特性を光学フィルタによって補正することにより、全体としてフラットかそれに近い良好な分光特性を実現することが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上述した実施形態においてはセンサ１２の一例として三接合型半導体センサを例示していたが、少なくとも２つのセルを積層したものであればよく、また、より多くのセルを積層した多接合型半導体センサを採用することも可能である。

また、センサ１２は多接合型半導体センサに限定されず、他の構成を採用してもよい。例えば、分光特性の異なる複数（図示の例では３つ）のセルを同一平面上に並べてセンサを構成してもよい。この場合、センサの角度特性をより向上させるために、複数のセルを同心円状に配置することが好ましい。すなわち、図１２（Ａ）に示すセンサ１１２は、内側に配置された円形のセル１１２ａと、このセル１１２ａの外周に沿って配置された環状のセル１１２ｂと、このセル１１２ｂの外周に沿って配置された環状のセル１１２ｃと、を含んで構成されている。図１２（Ｂ）は、セル１１２の分解斜視図である。各セルは、例えばセル１１２ａがＧｅセル、セル１１１２ｂがＩｎＧａＡｓセル、セル１１２ｃがＩｎＧａＰセルである。このようなセンサ１１２を上述のセンサ１２に代替して用いて日射計を構成することが可能である。

一実施形態に係る日射計の基本的な構成を説明する概略図である。光拡散板の機能を説明するための概略断面図である。センサの一例を説明するための概略断面図である。図３に例示した三接合型半導体センサの受光感度の分光感度特性を示した図である。図３に例示した三接合型半導体センサの受光感度の分光感度特性を素子全体の特性として表した図である。光学フィルタの特性の一例を示す図である。光学フィルタの特性の一例を示す図である。日射計の他の構成例を説明する概略断面図である。本実施形態に係る日射計を全天型日射計に適用した場合の構成例を示す模式断面図である。本実施形態に係る筒状体を備える日射計を全天型日射計に適用した場合の構成例を示す模式断面図である。本実施形態に係る日射計を直達型日射計に適用した場合の構成例を示す模式断面図である。センサの構成例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１…日射計
２…全天型日射計
２ａ…全天型日射計
３…直達型日射計
１０…光拡散板
１１…光学フィルタ
１２…センサ
１３…支持部材
１４…筒状体
１４ａ…内面
２０…ガラスドーム
２１…筐体
２２…ベース板
３０…カバーガラス
３１…筐体

Claims

入射光の強度を検出するセンサと、
前記センサに重畳して配置された光拡散板と、
前記光拡散板と前記センサとの相互間に配置された光学フィルタと、
を含み、
前記センサは、相互に分光感度特性の異なる複数のセルが膜厚方向に積層された多接合型半導体センサである、
ことを特徴とする日射計。
前記センサの分光特性は、少なくとも可視光の波長を含む波長範囲において、波長が長くなるほど受光感度が高くなるものであり、
前記光学フィルタの分光特性は、前記波長範囲において、波長が長くなるほど透過率が低くなるものである、
請求項１に記載の日射計。
前記センサは、前記複数のセルとしてのボトムセル、ミドルセル及びトップセルを含む三接合型半導体センサである、
請求項１又は２に記載の日射計。
前記ボトムセルがＧｅセル、前記ミドルセルがＩｎＧａＡｓセル、前記トップセルがＩｎＧａＰセルである、
請求項３に記載の日射計。
前記光学フィルタは、少なくとも４００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲において透過率が相対的に高く、当該波長範囲よりも短い波長域及び長い波長域において透過率が相対的に低いものである、
請求項１乃至４の何れか一項に記載の日射計。
内面が光反射特性を有する筒状体、を更に備え、
前記光拡散板、前記光学フィルタ及び前記センサが前記筒状体の内部に配置される、
請求項１乃至５の何れか一項に記載の日射計。