JP2012243838A - 太陽光発電パネル - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上できる太陽光発電パネルを提供すること。
【解決手段】太陽光発電パネル１は、それぞれ禁制帯幅が異なる複数の光電変換素子３１，３２と、複数の光電変換素子３１，３２に太陽光を導く導光部材４とを備え、複数の光電変換素子３１，３２は、当該光電変換素子３１，３２の面方向に並設されるとともに、隣り合う光電変換素子３１，３２間で異なる禁制帯幅を有し、導光部材４は、複数の光電変換素子３１，３２にまたがって設けられ、太陽光の波長成分に応じた禁制帯幅を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電パネルに関する。

近年、環境問題や省エネルギー化対策のひとつとして、太陽電池の普及が期待されている。このような太陽電池に用いられる太陽光発電パネルとして、禁制帯幅（光電変換可能な光エネルギーの閾値）が異なる複数の光電変換素子を積層した、いわゆる多接合型のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の太陽光発電パネルは、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子で形成された第１光電変換層と、第１光電変換層上に積層され、第１光電変換層よりも広い禁制帯幅を有する第２光電変換層とを備えている。このような構成により、太陽光のうちの短波長成分を上側の第２光電変換層で吸収するとともに、太陽光の長波長成分を下側の第１光電変換層で吸収することができるようになっている。

特開２０１０−２４５１９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された多接合型の太陽光発電パネルでは、光電変換素子が積層されているので、第１光電変換層に光が入射するためには、先ず上側の第２光電変換層を透過しなければならない。このため、太陽光が第１光電変換層に入射するまでの間に、透過により光のエネルギーが損失してしまい、その分だけ発電効率が低下してしまうという問題がある。

本発明の目的は、発電効率を向上できる太陽光発電パネルを提供することにある。

本発明の太陽光発電パネルは、それぞれ禁制帯幅が異なる複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子に太陽光を導く導光部材とを備え、前記複数の光電変換素子は、当該光電変換素子の面方向に並設されるとともに、隣り合う光電変換素子間で異なる禁制帯幅を有し、前記導光部材は、前記複数の光電変換素子にまたがって設けられ、太陽光の波長成分に応じた禁制帯幅を有する光電変換素子に太陽光を導くことを特徴とする。

本発明によれば、太陽光発電パネルでは、複数の光電変換素子がその面方向に並設されており、光電変換素子同士が積層されていない。このため、光電変換素子に光が入射される際に、当該光が別の光電変換素子を透過する必要がなく、透過に伴う光のエネルギー損失を低減することができる。従って、発電に供される光のエネルギーの損失が抑制されるので、太陽光発電パネルの発電効率を向上させることができる。

ところで、太陽光発電パネルに入射する太陽光は、午後になるほど短波長成分が減少し、太陽光において長波長成分の光が占める割合いが高くなる。これは、大気中にちり等の微粒子が徐々に増えることで、より錯乱しやすい短波長成分が地上に到達しにくくなるからである。この場合、光電変換素子の禁制帯幅が広すぎる（閾値が高すぎる）と、光電変換素子が太陽光を吸収できず、発電が行われなくなってしまう。

これに対し、本発明によれば、太陽光発電パネルは、複数の光電変換素子に太陽光を導く導光部材を備え、この導光部材が、太陽光の波長成分に応じた禁制帯幅を有する光電変換素子に太陽光を導く。従って、太陽光の波長成分に適した光電変換素子に太陽光を導くことができるので、発電効率をさらに向上させることができる。

本発明において、前記導光部材は、側面視凸状の入射面を有する集光レンズであり、前記複数の光電変換素子に対して太陽光の入射側に設けられていることが好ましい。
本発明によれば、導光部材が、複数の光電変換素子に対して太陽光の入射側に設けられた集光レンズであるため、波長成分に適した光電変換素子に太陽光を集光して導くことができる。このため、太陽光発電パネルの発電効率をより一層向上させることができる。

本発明において、前記導光部材は、側面視凹状の反射面を有するシリンドリカルミラーであり、前記複数の光電変換素子に対して太陽光の入射側とは反対側に設けられていることが好ましい。
本発明によれば、導光部材が凹状の反射面を有するシリンドリカルミラーであり、かつ複数の光電変換素子に対して太陽光の入射側とは反対側に設けられている。このため、光電変換素子を通過した太陽光の波長成分（発電に供されなかった波長成分）をシリンドリカルミラーで反射させて、当該波長成分を発電に利用できる光電変換素子に集光させることができる。従って、太陽光発電パネルの発電効率をさらに高めることができる。

本発明において、前記複数の光電変換素子は、それぞれ禁制帯幅が異なる光電変換素子を少なくとも３つ備え、かつ禁制帯幅の広さの順に並設されていることが好ましい。
本発明によれば、太陽光発電パネルは、それぞれ禁制帯幅が異なる少なくとも３つの光電変換素子を備えているため、各光電変換素子の禁制帯幅をより細かく設定することができる。また、これら光電変換素子が禁制帯幅の広さの順に並んでいるため、太陽光が入射する光電変換素子の禁制帯幅を段階的に変化させることができる。このため、太陽光の波長成分の構成の変化に応じて、禁制帯幅がより細かく設定された光電変換素子に太陽光を段階的に導くことができるので、波長成分に一層適した光電変換素子に太陽光を導くことができ、発電効率をさらに向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る太陽電池の斜視図。 前記第１実施形態に係る太陽電池の断面図。 本発明の第２実施形態に係る太陽電池の断面図。 本発明の第３実施形態に係る太陽電池の断面図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る太陽電池１の斜視図である。
本実施形態に係る太陽電池１は、図１に示すように、複数の太陽光発電パネル（以下、発電パネルと略す場合がある）２を備えている。
各発電パネル２は、光エネルギーを電力に変換する光電変換を行う光電変換部３と、この光電変換部３に太陽光を導く導光部材であって、当該太陽光を光電変換部３に集光する集光レンズとしてのシリンドリカルレンズ４とを備えている。

光電変換部３は、それぞれ禁制帯幅が異なる第１および第２光電変換素子３１，３２を備えている。本実施形態において、各光電変換素子３１，３２は、ｐ型半導体およびｎ型半導体が接合されたｐｎ接合型の半導体素子や、ｐ型およびｎ型半導体間にシリコン膜等の電気抵抗の大きな半導体層を挟んで接合したｐｉｎ接合型の半導体素子である。光電変換部３は、それぞれ膜状かつ長尺状に形成された第１および第２光電変換素子３１，３２がその面方向（厚み方向に直交する方向）に並んで交互に配置されるとともに、これら光電変換素子３１，３２が互いに接合されて構成されている。すなわち、光電変換部３は、隣り合う第１および第２光電変換素子３１，３２間で異なる禁制帯幅を有するように構成されている。

ここで、太陽光は、短波長から長波長まで幅広い波長の光を含んでおり、短波長の光になるほど大きなエネルギーを有している。一方、発電パネル２による光電変換の場合には、吸収した光エネルギーから禁制帯幅の値を引いたエネルギーは、電気ではなく熱にかわるため、発電には寄与しない。また、各光電変換素子３１，３２の禁制帯幅を拡げすぎると、太陽光のうちの長波長成文の光を吸収することができなくなってしまう。つまり、各光電変換素子３１，３２の禁制帯幅が狭いほど発電効率が高くなるわけではなく、光のエネルギー、つまり太陽光の波長成分と各光電変換素子３１，３２の禁制帯幅との関係が重要となる。

そこで、第１光電変換素子３１は、太陽光のうちの短波長成分の光に対応させるため、第２光電変換素子３２に対して相対的に禁制帯幅が広い材料で構成されている。これにより、第１光電変換素子３１では、エネルギーの高い短波長成分の光が吸収されるとともに、発熱によるエネルギーの損失が防止される。よって、第１光電変換素子３１では、入射される太陽光に短波長成分が多く含まれる場合（例えば、朝の時間帯）に、当該短波長成分を利用して効率よく発電できる。この第１光電変換素子３１としては、例えば、アモルファスシリコン系材料で構成されたものが挙げられる。

第２光電変換素子３２は、太陽光のうちの長波長成分の光に対応させるため、第１光電変換素子３１に対して相対的に禁制帯幅が狭い材料で構成されている。これにより、第２光電変換素子３２では、太陽光の多くを短波長成分の光が占めるような場合でも、太陽光が吸収されることになる。よって、第２光電変換素子３２では、入射される太陽光に長波長成分が多く含まれる場合（例えば、夕方の時間帯）に、当該長波長成分を利用して効率よく発電できる。この第２光電変換素子３２としては、例えば、結晶シリコン系材料、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファス炭化ケイ素等で構成されたものが挙げられる。

シリンドリカルレンズ４は、入射面である一端側の面４１が側面視凸状に形成されるとともに、出射面である他端側の面４２（図２（Ａ）および図２（Ｂ）参照）が平面状に形成された、いわゆる平凸型のものである。各シリンドリカルレンズ４は、幅方向および長さ方向ともに、各光電変換素子３１，３２と同じ寸法を有している。また、各シリンドリカルレンズ４は、光電変換部３における太陽光の入射側に設けられ、面４２が第１および第２光電変換素子３１，３２に面した状態で、第１および第２光電変換素子３１，３２にまたがって設けられている。なお、本実施形態では、複数のシリンドリカルレンズ４が並設されたいわゆるレンチキュラーレンズを光電変換部３上に配置することで、シリンドリカルレンズ４を第１および第２光電変換素子３１，３２にまたがって設けている。

図２は、太陽電池１の断面図である。
太陽電池１は、図２において、第１および第２光電変換素子３１，３２の並設方向が略東西方向となるように設置されて利用される。具体的に、図の紙面右方向が東側、紙面左方向が西側である場合、太陽電池１は、各シリンドリカルレンズ４がまたがる第１および第２光電変換素子３１，３２のうち第２光電変換素子３２が東側、第１光電変換素子３１が西側となるように配置される。

この場合、午前中の太陽光は、図２（Ａ）に示すように、太陽電池１に東側から入射し、シリンドリカルレンズ４により集光されて第１光電変換素子３１に導かれる。第１光電変換素子３１は、太陽光のうちの短波長成分の光に対応した狭い禁制帯幅（低い閾値）を有しているため、エネルギーの大きい短波長成分の光を吸収し、エネルギーの多くを発電に振り向けることができる。

一方、午後、特に夕方の太陽光は、図２（Ｂ）に示すように、太陽電池１に西側から入射し、各シリンドリカルレンズ４により集光されて第２光電変換素子３２に導かれる。第２光電変換素子３２は、太陽光のうちの長波長成分の光に対応した広い禁制帯幅（高い閾値）を有しているため、午後の太陽光の多くを占める長波長成分の光を吸収して発電を行うことができる。
なお、正午頃の太陽光は、シリンドリカルレンズ４を介して、第１および第２光電変換素子３１，３２のそれぞれに入射され、当該光電変換素子３１，３２に吸収されて発電に利用される。

以上説明した本実施形態に係る太陽電池１の発電パネル２によれば、以下の作用効果がある。
すなわち、発電パネル２における第１および第２光電変換素子３１，３２は、当該光電変換素子３１，３２の面方向に並設されており、第１および第２光電変換素子３１，３２同士が積層されていない。このため、各光電変換素子３１，３２に光が入射する際に、別の光電変換素子３１，３２を透過する必要がない。従って、透過に伴う光のエネルギー損失を低減することができるので、発電パネル２および太陽電池１の発電効率を向上させることができる。

また、各シリンドリカルレンズ４は、禁制帯幅が広い第１光電変換素子３１に太陽光を導いた後、太陽光の入射方向が変化するにつれて、より狭い禁制帯幅を有した第２光電変換素子３２に太陽光を導く。このように、各シリンドリカルレンズ４では、太陽光の入射方向の変化に応じて導光先が変化するため、時間帯に応じて波長成分の構成が変化する太陽光を、その波長成分に適した光電変換素子３１，３２に導くことができる。従って、発電パネル２および太陽電池１の発電効率をより一層向上させることができる。

さらに、第１および第２光電変換素子３１，３２を積層する必要がないので、光電変換部３の製造工程を簡略化することができる。例えば、各光電変換素子３１，３２を構成する材料をシリンドリカルレンズ４の面４２に噴射して塗布することで、容易かつ速やかに光電変換部３を形成することができる。このため、発電パネル２および太陽電池１を安価に製造することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る太陽電池について説明する。
本実施形態に係る太陽電池は、導光部材の種類および配置が、第１実施形態の場合と相違する。なお、第２実施形態以降の説明にあたり、第１実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略または簡略する。

図３は、本実施形態に係る太陽電池１Ａの断面図である。
本実施形態の太陽電池１Ａは、図３に示すように、複数の発電パネル２Ａを備えている。
各発電パネル２Ａは、光電変換部３と、導光部材としてのシリンドリカルミラー５とを備えている。

シリンドリカルミラー５は、側面視凹状の反射面５１を備えている。このシリンドリカルミラー５は、幅方向および長さ方向ともに、第１および第２光電変換素子３１，３２と同じ寸法を有している。これらシリンドリカルミラー５は、光電変換部３における太陽光の入射側とは反対側に設けられ、反射面５１が各光電変換素子３１，３２に面した状態で、第１および第２光電変換素子３１，３２にまたがって設けられている。

図３において、太陽電池１Ａは、図の紙面右方向を東側、紙面左方向を西側として設置されている。この場合、午前中の太陽光は、図３（Ａ）に示すように、光電変換部３に東側から入射し、一部の光（光電変換に利用されなかった光）が第１および第２光電変換素子３１，３２を透過してシリンドリカルミラー５に入射する。シリンドリカルミラー５に入射された光は、凹状の反射面５１で反射されて、第１光電変換素子３１に集光される。午前中に太陽電池１Ａに入射される太陽光には、短波長成分が多く含まれており、また、第１光電変換素子３１は、前述のように、短波長に対応した狭い禁制帯幅を有しているため、当該短波長成分の光が第１光電変換素子３１に吸収されて、効率よく発電が行われる。

一方、午後、特に夕方の太陽光は、図３（Ｂ）に示すように、光電変換部３に西側から入射し、一部の光が第１および第２光電変換素子３１，３２を透過した後、シリンドリカルミラー５で反射されて第２光電変換素子３２に集光される。夕方に太陽電池１Ａに入射される太陽光には、長波長成分が多く含まれており、また、第２光電変換素子３２は、長波長に対応した広い禁制帯幅を有しているため、当該長波長成分の光が第２光電変換素子３２に吸収されて、効率よく発電が行われる。
なお、前述の太陽電池１と同様に、正午頃の太陽光は、第１および第２光電変換素子３１，３２のそれぞれに直接、或いは、シリンドリカルミラー５を介して入射され、当該光電変換素子３１，３２に吸収されて発電に利用される。

以上説明した本実施形態に係る太陽電池１Ａの発電パネル２Ａによれば、前述した第１実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果がある。
すなわち、凹状の反射面５１を有するシリンドリカルミラー５が、各光電変換素子３１，３２に対して太陽光の入射側とは反対側に設けられているため、第１および第２光電変換素子３１，３２を通過した太陽光をシリンドリカルミラー５で反射させて、各光電変換素子３１，３２に集光させることができる。従って、各光電変換素子３１，３２で吸収されなかった太陽光を、光電変換素子３１，３２に再び集めて光電変換素子３１，３２に吸収させることができるため、発電効率をさらに高めることができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る太陽電池について説明する。
本実施形態に係る太陽電池は、光電変換素子の種類および配置が、第１および第２実施形態の場合と相違する。
図４は、本実施形態に係る太陽電池１Ｂの断面図である。
本実施形態の太陽電池１Ｂは、図４に示すように、複数の発電パネル２Ｂを備えている。
各発電パネル２Ｂは、光電変換部３Ｂと、シリンドリカルレンズ４とを備えている。

光電変換部３Ｂは、それぞれ禁制帯幅が異なる第１から第３光電変換素子３１，３２，３３を備えている。これら光電変換素子３１，３２，３３は、禁制帯幅の広さの順に並んで配置され、第１から第３光電変換素子３１，３２，３３間で禁制帯幅が段階的に変化するようになっている。具体的には、短波長成分の光に対応した禁制帯幅を有する第１光電変換素子３１と、長波長成分の光に対応した禁制帯幅を有する第２光電変換素子３２との間に、第１および第２光電変換素子３１，３２のそれぞれの禁制帯幅の中間の広さの禁制帯幅を有する第３光電変換素子３３が配置されている。すなわち、光電変換部３Ｂは、隣り合う第１から第３光電変換素子３１，３２，３３間で異なる禁制帯幅を有するように構成されている。

本実施形態では、レンチキュラーレンズを光電変換部３Ｂ上に配置することで、シリンドリカルレンズ４を第１から第３光電変換素子３１，３２，３３にまたがって設けている。すなわち、各シリンドリカルレンズ４は、光電変換部３Ｂにおける太陽光の入射側に設けられ、面４２が第１から第３光電変換素子３１，３２，３３に面した状態で、これら光電変換素子３１，３２，３３にまたがって設けられている。

このような構成を有する太陽電池１Ｂにおいて、シリンドリカルレンズ４は、図４に示すように、東側から入射する午前中の太陽光Ａを集光して第１光電変換素子３１に導く。太陽の移動に伴って、太陽電池１Ｂへの太陽光の入射方向が変化するに従い、シリンドリカルレンズ４は、南側から入射する正午付近の太陽光Ｂを集光して第３光電変換素子３３に導く。その後、シリンドリカルレンズ４は、西側から入射する午後の太陽光Ｃを集光して第２光電変換素子３２に導く。

以上説明した本実施形態に係る太陽電池１Ｂの発電パネル２Ｂによれば、前述した第１実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果がある。
すなわち、発電パネル２Ｂは、それぞれ禁制帯幅が異なる第１から第３光電変換素子３１，３２，３３を備えているため、各光電変換素子３１，３２，３３の禁制帯幅をより細かく設定することができる。また、これら光電変換素子３１，３２，３３が禁制帯幅の広さの順に並んでいるため、太陽光の入射方向が変化するにつれて、太陽光が入射する光電変換素子３１，３２，３３の禁制帯幅を段階的に変化させることができる。このため、太陽光の波長成分構成の変化に応じて、禁制帯幅がより細かく設定された第１から第３光電変換素子３１，３２，３３に太陽光を段階的に導くことができる。従って、太陽光の波長成分に一層適した光電変換素子３１，３２，３３に太陽光を導くことができ、発電パネル２Ｂの発電効率を向上できる。
なお、本実施形態では、発電パネル２Ｂは、シリンドリカルレンズ４を有する構成であったが、前述のシリンドリカルミラー５を有する構成としてもよい。

〔実施形態の変形〕
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、光電変換部３，３Ｂは、それぞれ禁制帯幅が異なる２種類または３種類の光電変換素子３１，３２，３３を備えていたが、光電変換素子３１，３２，３３の種類の数をしてはこれに限られず、４種類以上であってもよい。

前記各実施形態では、シリンドリカルレンズ４およびシリンドリカルミラー５のうちのいずれか一方を導光部材として用いていたが、シリンドリカルレンズ４およびシリンドリカルミラー５をそれぞれ用いてもよい。

本発明は、太陽電池に利用できる。

１，１Ａ，１Ｂ…太陽電池、２，２Ａ，２Ｂ…太陽光発電パネル、３，３Ｂ…光電変換部、４…シリンドリカルレンズ（導光部材、集光レンズ）、５…シリンドリカルミラー（導光部材）、３１，３２，３３…第１から第３光電変換素子（光電変換素子）。

Claims (4)

1. それぞれ禁制帯幅が異なる複数の光電変換素子と、
   前記複数の光電変換素子に太陽光を導く導光部材とを備え、
   前記複数の光電変換素子は、当該光電変換素子の面方向に並設されるとともに、隣り合う光電変換素子間で異なる禁制帯幅を有し、
   前記導光部材は、前記複数の光電変換素子にまたがって設けられ、太陽光の波長成分に応じた禁制帯幅を有する光電変換素子に太陽光を導く
   ことを特徴とする太陽光発電パネル。
2. 請求項１に記載の太陽光発電パネルにおいて、
   前記導光部材は、側面視凸状の入射面を有する集光レンズであり、前記複数の光電変換素子に対して太陽光の入射側に設けられている
   ことを特徴とする太陽光発電パネル。
3. 請求項１に記載の太陽光発電パネルにおいて、
   前記導光部材は、側面視凹状の反射面を有するシリンドリカルミラーであり、前記複数の光電変換素子に対して太陽光の入射側とは反対側に設けられている
   ことを特徴とする太陽光発電パネル。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽光発電パネルにおいて、
   前記複数の光電変換素子は、それぞれ禁制帯幅が異なる光電変換素子を少なくとも３つ備え、かつ禁制帯幅の広さの順に並設されている
   ことを特徴とする太陽光発電パネル。

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