JP2012204673A - 直列接続型ソーラーセル及びソーラーセルシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】吸収波長域が互いに異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、を有する直列接続型ソーラーセル。
【選択図】図5
Description
一方、半導体で作られるソーラーセルは、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を吸収して発電する。例えば結晶シリコンは1.12eV以上のエネルギーを持つ光を吸収してホールとエレクトロンを結晶シリコン内に発生させる。
定常光照射下ではホールとエレクトロンのエネルギー差は半導体のバンドギャップで決まるため入射光の波長によらず1.12eVである。
よってバンドギャップより大きなエネルギーをもつ短波長の光が照射されたときも、Vocは依然としてバンドギャップ近くの小さい値に止まり、入射光エネルギーのロスが半導体中で生じる。
例えば、図3に示すようにエピタキシャル結晶成長技術を用いてAlInP、InGaAs、GeのPN接合を積層形成した多接合型(積層型)ソーラーセルが提案されている(非特許文献1参照)。このような多接合型ソーラーセルでは、可視から赤外域の広範囲の光を吸収して発電することが可能となる。
<2> 前記光誘導手段として、前記外から入射する光を分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する波長分散型プリズムを有する<1>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<3> 前記複数のソーラーセルユニットとして、第1ソーラーセルユニットと、前記第1ソーラーセルユニットよりもバンドギャップが小さい第2ソーラーセルユニットと、を含み、前記波長分散型プリズムとして、前記外から入射する光を受光する受光面、前記第1ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して該プリズム内で全反射した光を前記第1ソーラーセルユニットに照射する底面、前記第2ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して前記底面に到達する前に該プリズムの外側に透過した光を前記第2ソーラーセルユニットに照射する第1傾斜面、及び前記第1傾斜面と平行に位置し、前記第2ソーラーセルユニットに面さない第2傾斜面を含み、前記波長分散型プリズムの前記第2傾斜面に面し、前記第2傾斜面を透過した光を前記プリズム内に向けて反射する第1反射手段を有する<2>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<4> 前記波長分散型プリズムの前記第1傾斜面に面し、前記第1傾斜面を透過した光を前記第2ソーラーセルユニットに向けて反射する第2反射手段を有する<3>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<5> 前記光誘導手段として、2つのプリズム間に波長選択用の隙間を有するプリズム対を有し、前記外から入射した光を前記プリズム対の前記波長選択用の隙間によって分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する<1>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<6> 前記プリズム対が前記外から入射する光の入射方向に複数配列されており、前記外から入射した光が先に到達する第1プリズム対の波長選択用の隙間d1が、前記外から入射した光が前記第1プリズム対の後に到達する第2プリズム対の波長選択用の隙間d2よりも狭くなっており、前記第1プリズム対の波長選択用の隙間d1によって分光された光のうち、前記第2プリズム対に入射した光が前記第2プリズム対の波長選択用の隙間d2によって分光される<5>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<7> 前記複数のソーラーセルユニットの各々が前記吸収波長域以外の光に対して光透過性を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットを挟むとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された2つの反射手段を有し、前記外から入射した光が、前記2つの反射手段の間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する<1>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<8> 前記複数のソーラーセルユニットの各々が受光面とは反対側の面に受光面から入射した光のうち吸収されなかった光を反射する反射面を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットの受光面に対向するとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記複数のソーラーセルユニットの反射面と前記反射手段との間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する<1>に記載の直列接続型ソーラーセル。
<9> <1>〜<8>のいずれかに記載の直列接続型ソーラーセルが複数配列されているソーラーセルシステム。
<10> <1>〜<8>のいずれかに記載の直列接続型ソーラーセルと、
外からの光を集光する第1レンズと、前記集光された光を平行光に成形して前記直列接続型ソーラーセルに入射させる第2レンズと、
を含むソーラーセルシステム。
図5は、本発明に係る直列接続型ソーラーセルの基本的な構成を示す概略図である。本実施形態に係る直列接続型ソーラーセル100は、互いに吸収波長域が異なる3つのソーラーセルユニット1,2,3と、各ソーラーセルユニット1,2,3に対して各々の吸収波長域の光を誘導して照射する光誘導手段4を備えている。各ソーラーセルユニット1,2,3は電気配線5によって直列に接続されている。
また、本発明において、「複数のソーラーセルユニットが互いに吸収波長域が異なる」とは、各ソーラーセルユニットが吸収する波長域が全く重複しない場合のほか、吸収波長領域の一部分が重複せず、他の部分は重複する場合も含む。
また、本発明において「直列」とは複数のソーラーセルユニットが電気的に直列に配線されていることを意味し、一直線上に並んでいる場合のほか、後述する図10及び図11に示されるように隣接する複数のソーラーセルユニット同士が180℃未満の角度(例えば直角)を成して接続されている場合も含まれる。
また、このような構成であれば、それぞれ単体のソーラーセルユニット1,2,3に光が照射されるので、図3、図4に示した積層型のソーラーセルのように上部セルにより光が遮蔽されず、各セルに効率的に光が照射され、発電することができる。
さらに、本発明に係る直列接続型ソーラーセルでは、原理的に一般的な構造のセルを用いることができ、図3、図4に示した積層型のソーラーセルのように上部セルの光透過機能が必ずしも要求されない利点がある。
以下に、本発明の実施形態の具体例を示すが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
第1実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、光誘導手段として、外から入射する光を分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する波長分散型プリズムを有する。
図6は第1実施形態に係る直列型ソーラーセルの構成の一例を示す概略図である。
本実施形態に係る直列接続型ソーラーセル10Aは、電気配線5によって直列に接続された第1ソーラーセルユニット11と第2ソーラーセルユニット12とを含んでいる。第1ソーラーセルユニット11は高バンドギャップ・短波長発電用ソーラーセルであり、第2ソーラーセルユニット12は第1ソーラーセルユニットよりもバンドギャップが小さい低バンドギャップ・長波長発電用ソーラーセルである。
プリズム14を構成する低アッべ数材料としては、例えばZnS(硫化亜鉛)が挙げられる。ZnSは400nm以上の波長に対して透明な材料であり、屈折率は図7に示すように波長が短くなるにつれて大きくなる。図7に示す関係に基づくプリズムの全反射光の入射角条件は図8のようになる。即ち、波長が短いときは屈折率が高いので臨界角は小さく、長波長になるにつれて臨界角は大きくなる。
またアッべ数が小さい他の物質も使用することができる。一般に屈折率が大きい材料はアッべ数が小さい。ZnSe、ポリエチレン、ポリビニルテレフタレート等を例示することができる。
第1反射手段16としては、例えば反射ミラーを用いることができる。なお、例えば、第2傾斜面14Dに光反射性を有する金属層を設けて反射手段としてもよい。
なお、λ1より長波長の光にはプリズム14の第1傾斜面14Cで反射する成分もある。これは全反射する短波長光と同じくプリズム14内を第2傾斜面14Dに向けて進む。この長波長光はプリズム14の第2傾斜面14Dに沿って配置された反射ミラー16によってプリズム14内に反射される。そして再びプリズムの第1傾斜面14Cで透過又は反射する。このように長波長光の一部が透過と反射を繰り返することで、λ1より長波長の光はプリズム14の第1傾斜面14Cを透過し、第2ソーラーセルユニット12に向かう光の強度が大きくなる。
例えば、プリズム14での反射率が50%の場合は、3回プリズム表面で透過反射を繰り返すと87%の光がプリズム外側に透過してソーラーセルユニット12に入射する。
図9は、第1実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの他の例を概略的に示している。図9に示す直列接続型ソーラーセル10Bでは、波長分散型プリズム14の第2傾斜面14Dに面した第1反射手段16のほか、第1傾斜面14Cに面し、第1傾斜面14Cを透過した光を第2ソーラーセルユニット12に向けて反射する第2反射手段17を有している。第1傾斜面14C側にも反射ミラー17を設置し、波長分散型プリズム14の外側に透過した光を第2ソーラーセルユニット12に向けて反射させることにより、長波長の光を受光する第2ソーラーセルユニット12の面積を小さくすることができる。
すなわち、図9に示す直列接続型ソーラーセル10Bでは、図6に示す直列接続型ソーラーセル10Aに比べ、ソーラーセルの有効面積を光入射面積よりも小さくすることができ、面積効率が大きい直列接続型ソーラーセルとすることができる。
第2実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、光誘導手段として、2つのプリズム間に波長選択用の隙間を有するプリズム対を有し、外から入射した光を前記プリズム対の波長選択用の隙間によって分光することにより複数のソーラーセルユニットの各々に吸収波長域の光を照射する構成を有している。
図10は、第2実施形態に係る直列接続型ソーラーセルの一例を概略的に示している。図10に示す直列接続型ソーラーセル20Aは、バンドギャップが大きい短波長発電用の第1ソーラーセルユニット11と第1ソーラーセルユニット11よりもバンドギャップが小さい長波長発電用の第2ソーラーセルユニット12とが配線5により電気的に直列に接続されている。また、この直列接続型ソーラーセル20Aは、それぞれ傾斜面を有する同形状の第1プリズム(上部プリズム)24Aと第2プリズム(下部プリズム)24Bが、互いの傾斜面が向かい合わせとなって配置されたプリズム対24を有している。
なお、2つのプリズム間に隙間d1を設ける方法は特に限定されず、例えば、プリズム間に直径d1のスペーサビーズを挟み、2つのプリズムを圧着することにより隙間d1を設けることができる。
そのため、第1プリズム24Aと第2プリズム24Bとの隙間d1で全反射した光L1が進む方向の側面(図10では第1プリズムの右側)に沿って、波長d1以下の光に感度を有する第1ソーラーセルユニット11を設置しておき、隙間d1によって全反射した光を当てて発電させる。
一方、第2プリズム24Bの底面にはバンドギャップが小さいソーラーセルユニット12を設置して、波長d1以上の光を当てて発電させる。
第2実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、外から入射する光の入射方向に複数のプリズム対を配列し、入射光を3つ以上の波長帯に分光して各ソーラーセルユニットに照射することもできる。
このように外から入射する光(例えば、太陽光)を2つのプリズム対24,25で短波長帯、中波長帯、長波長帯に分光して各ソーラーセルユニット21,22,23に誘導することで、入射光が各ソーラーセルユニット21,22,23によって効率的に発電することができる。
第3実施形態に係る直列接続型ソーラーセルは、互いに吸収波長域が異なる複数のソーラーセルユニットの各々が吸収波長域以外の光に対して光透過性を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットを挟むとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された2つの反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記2つの反射手段の間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する。
ソーラーセルユニット31に吸収されないソーラーセルユニット31のバンドギャップ以下のエネルギーの中波長光及び長波長光は各ソーラーセルユニット31,32,33の裏側(光が入射する反対側)に配置した第1反射ミラー36で反射されるか、ソーラーセルユニット31の表面で反射されて、ソーラーセルユニット31の外に出る。ソーラーセルユニット31から出た光は対面に置かれた第2反射ミラー37によって反射されてソーラーセルユニット32に入射する。そしてソーラーセルユニット32のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ中波長の光はソーラーセルユニット32に吸収され発電に寄与する。
ソーラーセルユニット32にも吸収されない長波長光は各ユニット31,32,33の裏側に配置した第1反射ミラー36で反射されるか、ソーラーセルユニット32の表面で反射されて、ソーラーセルユニット32の外に出る。ソーラーセルユニット32から出た光は対面に置かれた第2反射ミラー37によって反射されてソーラーセルユニット33に入射する。そしてソーラーセルユニット33のバンドギャップ以上のエネルギーの光がソーラーセルユニット33に吸収されて発電に寄与する。
また、図12に示すように前方のソーラーセルユニットに吸収されない光は2枚の反射ミラー36,37の間で反射を繰り返しながら移動し、次のより長波長用のソーラーセルユニットに入射するので、各ソーラーセルユニットの反射率はソーラーセルユニット31に吸収されるべき光に対してのみ低く設計すればよく、吸収されない光の反射率を調整する必要はない。
本発明に係る直列接続型ソーラーセルは、上記いずれかの実施形態に係る直列接続型ソーラーセルを複数配列した平板型ソーラーセルシステムとすることができる。
また、本発明に係る直列接続型ソーラーセルは、外からの光を集光する第1レンズと、集光された光を平行光に成形して前記実施形態に係る直列接続型ソーラーセルに入射させる第2レンズと、を含む集光型ソーラーセルシステムにも適用することができる。
本発明に係る直列接続型ソーラーセルを構成するソーラーセルユニットとしては、種々のソーラーセルを適用することができる。
例えば、異種電極を用いて半導体中に内蔵電位を生じせしめるMIS型タイプのソーラーセルが開発されている(例えば、Toshiyuki SAMESHIMA, Kazuya KOGURE, Masahiko HASUMI: ” Crystalline Silicon Solar Cells with Two Different Metals”, Jpn. J.Appl. Phys. 49 (2010) 110205.参照)。このMIS型タイプのソーラーセルは作製が簡便であり、高品位の材料を用いることで高効率化が期待できる。
図22に示す直列接続型ソーラーセル80では、ソーラーセルユニットの受光面とは反対側の面に受光面から入射した光のうち、吸収されなかった光を反射する反射面を有する複数のソーラーセルユニット51,52,53が、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されている。また、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニット51,52,53の受光面に対向するとともに、バンドギャップが大きいソーラーセルユニット51から小さいソーラーセルユニット53に向けて間隔が狭くなるように反射ミラー37が配置されている。そして、外から入射した光が、各ソーラーセルユニット51,52,53の反射面と反射ミラー37との間で反射を繰り返しながらバンドギャップが大きいソーラーセルユニット51から小さいソーラーセルユニット53に向けて進行することにより複数のソーラーセルユニット51,52,53の各々に吸収波長域の光が照射される。
なお、各ソーラーセルユニットの反射面としては電極に限らず、電極以外の反射層を設けてもよい。
例えば、ソーラーセルユニットとしては、シリコン系、化合物系のほか、色素増感ソーラーセル、有機薄膜ソーラーセルなども用いることもできる。
4 光誘導手段
5 配線
10A,10B 直列接続型ソーラーセル
11,12 ソーラーセルユニット
14 波長分散型プリズム
16、17 反射手段(反射ミラー)
20A,20B 直列接続型ソーラーセル
21,22,23 ソーラーセルユニット
24A 第1プリズム(上部プリズム)
24B 第2プリズム(下部プリズム)
24,25 プリズム対
30 直列接続型ソーラーセル
31,32,33 ソーラーセルユニット
36,37 反射手段(反射ミラー)
40A,40B ソーラーセルシステム
42 集光用レンズ
44 成形用レンズ
51,52,53 ソーラーセルユニット
50,60,70 ソーラーセルシステム
100 直列接続型ソーラーセル
101 MIS型ソーラーセル
102 半導体基板
103 絶縁薄膜
104 電極
106 電極
113 絶縁膜
d1,d2 隙間
Claims (10)
- 互いに吸収波長域が異なり、積層せずに電気的に直列に接続されている複数のソーラーセルユニットと、
前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射して発電するように、外から入射する光を誘導する光誘導手段と、
を有する直列接続型ソーラーセル。 - 前記光誘導手段として、前記外から入射する光を分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する波長分散型プリズムを有する請求項1に記載の直列接続型ソーラーセル。
- 前記複数のソーラーセルユニットとして、第1ソーラーセルユニットと、前記第1ソーラーセルユニットよりもバンドギャップが小さい第2ソーラーセルユニットと、を含み、
前記波長分散型プリズムとして、前記外から入射する光を受光する受光面、前記第1ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して該プリズム内で全反射した光を前記第1ソーラーセルユニットに照射する底面、前記第2ソーラーセルユニットに面し、前記受光面から入射して前記底面に到達する前に該プリズムの外側に透過した光を前記第2ソーラーセルユニットに照射する第1傾斜面、及び前記第1傾斜面と平行に位置し、前記第2ソーラーセルユニットに面さない第2傾斜面を含み、
前記波長分散型プリズムの前記第2傾斜面に面し、前記第2傾斜面を透過した光を前記プリズム内に向けて反射する第1反射手段を有する請求項2に記載の直列接続型ソーラーセル。 - 前記波長分散型プリズムの前記第1傾斜面に面し、前記第1傾斜面を透過した光を前記第2ソーラーセルユニットに向けて反射する第2反射手段を有する請求項3に記載の直列接続型ソーラーセル。
- 前記光誘導手段として、2つのプリズム間に波長選択用の隙間を有するプリズム対を有し、前記外から入射した光を前記プリズム対の前記波長選択用の隙間によって分光することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する請求項1に記載の直列接続型ソーラーセル。
- 前記プリズム対が前記外から入射する光の入射方向に複数配列されており、前記外から入射した光が先に到達する第1プリズム対の波長選択用の隙間d1が、前記外から入射した光が前記第1プリズム対の後に到達する第2プリズム対の波長選択用の隙間d2よりも狭くなっており、前記第1プリズム対の波長選択用の隙間d1によって分光された光のうち、前記第2プリズム対に入射した光が前記第2プリズム対の波長選択用の隙間d2によって分光される請求項5に記載の直列接続型ソーラーセル。
- 前記複数のソーラーセルユニットの各々が前記吸収波長域以外の光に対して光透過性を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットを挟むとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された2つの反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記2つの反射手段の間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する請求項1に記載の直列接続型ソーラーセル。 - 前記複数のソーラーセルユニットの各々が受光面とは反対側の面に受光面から入射した光のうち吸収されなかった光を反射する反射面を有するとともに、バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列されており、
前記光誘導手段として、前記バンドギャップが大きい順に光が照射されるように配列された複数のソーラーセルユニットの受光面に対向するとともに、前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットから小さいソーラーセルユニットに向けて間隔が狭くなるように配置された反射手段を有し、
前記外から入射した光が、前記複数のソーラーセルユニットの反射面と前記反射手段との間で反射を繰り返しながら前記バンドギャップが大きいソーラーセルユニットに向けて進行することにより前記複数のソーラーセルユニットの各々に前記吸収波長域の光を照射する請求項1に記載の直列接続型ソーラーセル。 - 請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の直列接続型ソーラーセルが複数配列されているソーラーセルシステム。
- 請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の直列接続型ソーラーセルと、
外からの光を集光する第1レンズと、前記集光された光を平行光に成形して前記直列接続型ソーラーセルに入射させる第2レンズと、
を含むソーラーセルシステム。
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